In un nuovo rapporto ora pubblicato su Nature Asia Materials , Kenshi Harada e un team di scienza dei materiali e scienze analitiche in Giappone e Francia hanno formato un nuovo dispositivo di rilevamento dell'ambiente che ha esplorato i fenomeni opto-ionici-elettronici di un metallo di molibdeno ottaedrico (Mo₆ ) grappolo. Il team ha costruito questi nanomateriali, o cluster atomici, con atomi di metallo legati l'uno all'altro con atomi non metallici di accompagnamento. Hanno alterato le proprietà dei materiali per una varietà di applicazioni aggiungendo sostanze funzionali. In questo lavoro, Harada et al. hanno sviluppato pellicole trasparenti fatte di ossido di indio-stagno su cui hanno depositato ammassi atomici di esamolibdeno per studiare la dipendenza dall'umidità e dalla temperatura delle proprietà elettriche dei film e per capire come la loro conduttività si alterasse al variare delle condizioni di luce. Il materiale innovativo trova applicazioni come sensore atmosferico.

Ingegneria dei materiali per progettare nuovi nanomateriali

Metalli, semiconduttori, ceramiche e polimeri danno origine a materiali funzionali con il potenziale per lo sviluppo di nuove tecnologie. I materiali che convertono l'energia possono essere ampiamente utilizzati nelle situazioni quotidiane e i ricercatori mirano a conferire proprietà più avanzate ai dispositivi, inclusi sensori piezoelettrici, termoelettrici, di gas e fotodiodi per funzioni sostenibili. Lo sviluppo di materiali multifunzionali abbinato alla miniaturizzazione dei dispositivi può portare all'uso di un unico prodotto per espandere le applicazioni di rilevamento e illuminazione. Harada et al. incentrato sui cluster di atomi di metallo riconosciuti come elementi costitutivi multifunzionali di nanomateriali per progettare nuovi dispositivi intelligenti. Hanno studiato la dipendenza dalla temperatura delle proprietà elettroniche di un cluster di metallo molibdeno traslucido preparato tramite deposizione elettroforetica, insieme alle proprietà della conducibilità dei materiali sotto irraggiamento luminoso. Quindi, utilizzando la spettrometria di massa, hanno determinato la composizione chimica del cluster metallico e descritto le proprietà elettroniche per comprendere l'influenza dell'irradiazione della luce sulle proprietà elettroniche e ioniche.

Harada et al. caratterizzato per la prima volta la pellicola superficiale utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Successivamente, hanno quantificato la spettrometria di massa della spettrometria di mobilità ionica per supportare l'ipotesi di scambio ionico durante la deposizione elettroforetica. Sulla base dei risultati, la spettrometria di mobilità ionica ha mostrato come queste reazioni di scambio del ligando non influissero sostanzialmente sulla geometria del cluster di molibdeno. Successivamente hanno studiato la dipendenza dalla temperatura e dall'umidità durante la conduttività elettrica all'interno del film a grappolo di molibdeno e hanno dimostrato che la resistenza elettronica del film a grappolo dipende dalla temperatura. Con l'aumento della temperatura, la resistenza elettronica è diminuita. Il team ha quindi osservato energie di attivazione simili per film a grappolo di molibdeno preparati con tempi di deposizione diversi per suggerire come le proprietà elettroniche non fossero influenzate dallo spessore del film. Harada et al. ha anche tenuto conto degli spettri di impedenza del film a grappolo a diversa umidità relativa per mostrare che al diminuire dell'umidità relativa, la resistenza elettronica aumentava.

Dipendenza dalla frequenza di rilassamento del film a grappolo di molibdeno e altre proprietà.

Harada et al. successivamente osservò la conduttività del film a grappolo, che generalmente dipendeva dal numero di idronio (H₃ O ⁺ ) e idrossido (OH ^- ) ioni creati dalla reazione di idrolisi durante il processo di deposizione elettroforetica. La modifica locale del pH attorno agli elettrodi è stata un fattore importante durante il processo di deposizione elettroforetica e il team ha utilizzato ioni idronio per neutralizzare gli anioni del cluster di molibdeno e creare cluster aggiuntivi, con componenti potenzialmente stabili e neutralizzati. Gli scienziati si sono quindi avvicinati alle proprietà elettroniche del film a grappolo di molibdeno sotto irraggiamento luminoso, che hanno caratterizzato tramite la misurazione della corrente continua. Hanno notato la conduzione elettrica tramite transizioni incoerenti di portatori di carica tra stati localizzati nello spazio. Il team ha osservato i cambiamenti nelle proprietà elettroniche locali del film a grappolo sotto irraggiamento tramite luci LED ultraviolette, rosse e blu sotto corrente continua. In ogni caso, hanno eseguito l'irradiazione della luce per soli 30 secondi dopo un tempo trascorso di 270 secondi dall'inizio dell'applicazione della tensione in corrente continua. Harada et al. ha anche misurato l'impedenza del film a grappolo sotto l'irradiazione di luce UV, blu e rossa. Le densità del flusso di fotoni erano simili nelle condizioni di interesse. L'impedenza rilevata è aumentata quando i campioni sono stati irradiati con luce UV e blu, mentre non sono state osservate variazioni significative con luce rossa.

Prospettiva

Il team ha ulteriormente sviluppato una struttura schematica del cluster di molibdeno nel film dai risultati e ha condotto diversi esperimenti con fenomeni riproducibili che si sono rivelati reversibili. Ad esempio, Harida et al. potrebbe riportare l'irradiazione della luce ridotta allo stato iniziale dopo un'ora di equilibrio. Poiché il cluster di molibdeno ha mostrato proprietà fotocatalitiche, le molecole d'acqua e/o gli ioni idronio contenuti nel film si sono decomposti nella fotoreazione per una ridotta conduttività ionica. Ulteriori ricerche hanno anche mostrato come gli strati basati sulla struttura molecolare portassero naturalmente a un comportamento semiconduttore intrinseco. Sulla base degli esperimenti, Kenshi Harada e colleghi hanno evidenziato la dipendenza dell'umidità, dell'intensità della luce irradiata e della lunghezza d'onda dell'irradiazione dalle proprietà elettroniche del film a grappolo di molibdeno. Il team ha identificato le caratteristiche più vantaggiose del cluster di molibdeno, tra cui il grande spostamento di Stokes, la lunga durata e l'elevata efficienza della luminescenza rossa per mostrare come il film di deposizione elettroforetica formasse un promettente dispositivo multifunzionale per rilevare l'umidità e i raggi UV. + Esplora ulteriormente

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