Senza film sottili, non ci sarebbero elettronica moderna o specchi di alta qualità. I chip semiconduttori utilizzati nei nostri telefoni cellulari e computer si basano su pellicole sottili realizzate con materiali diversi, compresi gli ossidi metallici che contengono almeno un metallo oltre all'ossigeno.

I film sottili di ossido di metallo fungono da più di un semplice strato all'interno dell'elettronica. Hanno applicazioni nel rilevamento, catalisi, e accumulo di energia. La creazione di film sottili in grado di sostituire lo strato liquido nelle batterie o promuovere specifiche trasformazioni chimiche richiede la comprensione dei materiali a livello atomico. Al Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), i ricercatori stanno studiando come progettare film sottili di ossido di metallo che possono essere sfruttati per produrre energia pulita.

"Mi piace pensare a quello che facciamo come dipingere a spruzzo un bersaglio con gli atomi, " ha affermato lo scienziato dei materiali PNNL e ricercatore di laboratorio Scott Chambers. Il suo team utilizza una tecnica, chiamata epitassia a fascio molecolare, per depositare elementi atomo per atomo sopra un cristallo solido. Ciò consente ai ricercatori di realizzare prodotti di alta qualità, film sottili cristallini con un controllo preciso sulla loro composizione e struttura.

Per esempio, alcuni film sottili conducono sempre elettricità e altri no. Impilando diversi film, gli scienziati possono cambiare il modo in cui rispondono a una corrente elettrica.

"La nostra capacità di sviluppare tecnologie energetiche avanzate dipende da quanto bene possiamo realizzare strati sottili di materiali, " ha detto Peter Sushko, uno scienziato dei materiali al PNNL.

La produzione di film di ossido estremamente sottili con elevata precisione richiede apparecchiature di sintesi avanzate. Questa apparecchiatura si sta spostando in un nuovo e più grande laboratorio presso l'Energy Sciences Center (ESC) del PNNL. Il team Atomically Precise Materials attualmente utilizza due sistemi di epitassia a raggio molecolare e uno strumento di deposizione laser pulsato. L'aggiunta pianificata di un altro strumento di deposizione laser a impulsi amplierà la capacità del team di creare più e diversi film sottili sperimentali.

Piccoli cambiamenti nei film sottili hanno impatti significativi

Le Wang, uno scienziato dei materiali PNNL, ha condotto uno studio recente che ha sfruttato film sottili atomicamente precisi per realizzare catalizzatori stabili ad alte prestazioni. Hanno scoperto che variando la composizione dell'ossido di ferro nichel-lantanio (LaNi _1-x Fe _X oh ₃ o LNFO) i film sottili influiscono sulla loro capacità di convertire l'acqua in ossigeno. Questa reazione è importante per la produzione di energia pulita. LNFO ha il potenziale per ridurre la necessità o sostituire costosi catalizzatori a base di metalli preziosi.

Ricerche precedenti hanno dimostrato che la sostituzione di parte del nichel con ferro nell'ossido di nichel di lantanio aumenta la capacità del materiale di generare ossigeno. Però, la ragione esatta di questa attività potenziata non era chiara.

Il team di ricerca del PNNL ha utilizzato i suoi film e la sua strumentazione ad alta precisione per affrontare questa incertezza. Il lavoro, pubblicato in Nano lettere , fornisce prove e spiegazioni chiare sul perché la miscelazione di nichel e ferro porta a una formazione di ossigeno più efficiente.

I ricercatori del PNNL hanno sintetizzato una serie di film sottili LNFO di alta qualità, dall'ossido di nichel e lantanio puro all'ossido di ferro di lantanio e una gamma di composizioni intermedie. Hanno anche fatto diversi standard di alta qualità, tutto misurato con la stessa attrezzatura, che ha permesso ai ricercatori di concentrarsi su piccoli, ma consequenziale, cambiamenti nella struttura elettronica dei materiali.

I piccoli cambiamenti hanno mostrato che il ferro trasferisce alcuni dei suoi elettroni al nichel in un processo noto come trasferimento di carica. Il trasferimento di carica rende più facile per il materiale convertire l'acqua in ossigeno. L'identificazione di questo trasferimento di carica mai visto in precedenza ha fornito ai ricercatori informazioni sul motivo per cui LNFO agisce come un catalizzatore migliore.

Modellazione per la comprensione su scala atomica

Il team utilizza un approccio su più fronti nella sua ricerca. Sintetizzano nuovi materiali e ne caratterizzano la struttura in laboratorio. Però, gli esperimenti da banco hanno dei limiti alla quantità di dettagli che possono rivelare. L'arma non così segreta della squadra? Teoria.

La combinazione di teoria ed esperimenti genera approfondimenti sui film sottili di ossido. La modellazione computazionale fornisce informazioni su come gli atomi si muovono sulla superficie del film e su come gli elettroni si riorganizzano su scale più piccole del diametro di un atomo. In questo progetto, i ricercatori volevano vedere se gli atomi in LNFO simulato mostrassero gli stessi sottili segni di trasferimento di carica che hanno osservato in laboratorio.

"È stato un giorno emozionante quando abbiamo recuperato i calcoli di Peter [Sushko] e hanno abbinato così bene i nostri dati sperimentali, ", ha detto Wang. "Questi risultati hanno davvero convalidato la nostra tesi sull'importanza del trasferimento di carica in LNFO".

Guardando al futuro dei film sottili

Questa ricerca continuerà presso l'ESC, dove grandi finestre metteranno in luce un nuovo spazio laboratorio ad alta visibilità. Chiunque entri nella lobby dell'ESC potrà vedere i ricercatori fare nuovi campioni. "Siamo entusiasti della finestra sulla nostra scienza che la mossa fornirà ai visitatori dell'ESC, " ha detto Sushko. "Oltre al laboratorio più grande e alla strumentazione aggiuntiva, non vediamo l'ora di stare insieme nello stesso edificio".

Avanti il ​​prossimo? I ricercatori hanno in programma di sostituire parzialmente il lantanio con lo stronzio nello stesso sistema di pellicole, creando un ossido con quattro metalli diversi. Ciò aiuterà il team a comprendere ulteriormente i cambiamenti nelle strutture e nelle proprietà dei film di ossido complessi. La comprensione di tali processi guiderà i nuovi sforzi di sintesi per progettare catalizzatori ancora migliori.