用原子“喷漆”控制薄膜

来源:众壹云 发布日期:2021-10-13 09:46

氧化物薄膜的高精度合成和测量帮助研究人员确定铁如何影响材料的功能,例如在燃料电池中将水转化为氧气的能力。图片来源:蒂莫西·霍兰德 | 太平洋西北国家实验室

没有薄膜,就不会有现代电子产品或高质量的镜子。我们的手机和计算机中使用的半导体芯片依赖于由不同材料制成的薄膜,包括含有至少一种金属和氧的金属氧化物。

金属氧化物薄膜不仅仅是电子产品中的一层。它们在传感、催化和能量存储方面有应用。创建薄膜可在电池更换液体层或促进特定化学转化需要在原子水平上理解的材料。在太平洋西北国家实验室 (PNNL),研究人员正在研究如何设计可用于生产清洁能源的金属氧化物薄膜。

PNNL 材料科学家兼实验室研究员 Scott Chambers 说:“我喜欢把我们所做的事情想象成用原子喷漆目标。” 他的团队使用一种称为分子束外延的技术,在固体晶体上逐个原子地沉积元素。这使研究人员能够制造高质量的结晶薄膜,并精确控制其成分和结构。

例如,一些薄膜总是导电,而另一些则不导电。通过堆叠不同的薄膜,科学家可以改变它们对电流的反应方式。

“我们开发先进能源技术的能力取决于我们制造薄层材料的能力,”PNNL 的材料科学家 Peter Sushko 说。

制造高精度的极薄氧化膜需要先进的合成设备。该设备正在转移到 PNNL 能源科学中心 (ESC) 的一个新的更大的实验室。Atomically Precise Materials 团队目前使用两套分子束外延系统和一台脉冲激光沉积仪。计划增加的另一台脉冲激光沉积仪器将扩大团队创造更多不同实验薄膜的能力。

薄膜的微小变化具有显着影响

PNNL 材料科学家 Le Wang 领导了最近的一项研究,该研究利用原子级精确薄膜制造稳定的高性能催化剂。他们发现改变镧镍铁氧化物(LaNi 1-x Fe x O 3或 LNFO)薄膜的成分会影响它们将水转化为氧气的能力。该反应对于清洁能源生产很重要。LNFO 有可能减少或取代昂贵的贵金属基催化剂。

先前的研究表明,用氧化镧镍中的铁代替部分镍会增加材料产生氧气的能力。然而,这种增强活动的确切原因尚不清楚。

Le Wang 使用 X 射线光电子能谱仪测量合成薄膜的成分和电子结构。图片来源:Andrea Starr | 太平洋西北国家实验室

PNNL 研究团队使用其高精度薄膜和仪器来解决这种不确定性。这项发表在Nano Letters 上的工作为为什么混合镍和铁会导致更有效的氧气形成提供了明确的证据和解释。

PNNL 研究人员合成了一系列高质量的 LNFO 薄膜,从纯氧化镧镍到氧化镧铁以及介于两者之间的一系列成分。他们还制定了几个高质量的标准,所有标准都使用相同的设备进行测量,使研究人员能够关注材料电子结构的微小但重要的变化。

微小的变化表明铁在称为电荷转移的过程中将部分电子转移到镍上。电荷转移使材料更容易将水转化为氧气。识别这种以前看不见的电荷转移使研究人员深入了解为什么 LNFO 可以充当更好的催化剂。

为原子尺度理解建模

该团队在其研究中采用多管齐下的方法。他们在实验室合成新材料并表征其结构。然而,台式实验对它们可以揭示的细节数量有限制。球队的秘密武器?理论。

将理论和实验相结合,可以更深入地了解氧化物薄膜。计算建模提供了对原子如何在薄膜表面上移动以及电子如何在小于原子直径的尺度上重新排列的见解。在这个项目中,研究人员想看看模拟 LNFO 中的原子是否表现出与他们在实验室中观察到的相同的微妙电荷转移迹象。

“当我们得到 Peter [Sushko] 的计算结果并且它们与我们的实验数据非常匹配时,这是令人兴奋的一天,”Wang 说。“这些结果确实验证了我们关于 LNFO 中电荷转移重要性的论点。”

展望薄膜的未来

这项研究将在 ESC 继续进行,那里的大窗户将聚焦一个新的高能见度实验室空间。任何进入 ESC 大厅的人都可以看到研究人员制作新样品。Sushko 说:“我们很高兴看到这一举动将为 ESC 的参观者提供了解我们科学的窗口。” “除了更大的实验室和额外的仪器外,我们都期待着在同一栋楼里在一起。”

接下来?研究人员计划在同一薄膜系统中用锶部分替代镧,从而产生一种具有四种不同金属的氧化物。这将有助于团队进一步了解复杂氧化膜结构和特性的变化。了解这些过程将指导新的合成工作,以设计更好的催化剂。