08 de junio de 2020 (Noticias de Nanowerk) Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía sintetizó una estructura diminuta con un área de superficie alta y descubrió cómo su arquitectura única impulsa los iones a través de las interfaces para transportar energía o información. Su "nanocepillo" contiene cerdas hechas de láminas de cristal alternas con interfaces alineadas verticalmente y abundantes poros. "Estos son logros técnicos importantes y pueden resultar útiles para el avance de las tecnologías de la información y la energía", dijo Ho Nyung Lee de ORNL, quien dirigió el estudio publicado en Nature Communications ("Colosal formación de vacantes de oxígeno en una interfaz fluorita-bixbyita"). “Este es un excelente ejemplo de trabajo que solo es factible con la experiencia y las capacidades únicas disponibles en los laboratorios nacionales”.
Un nanocepillo hecho por deposición láser pulsada de CeO2 y Y2O3 con bandas tenues y brillantes, respectivamente, se ve en una sección transversal con microscopía electrónica de transmisión de barrido. (Imagen: Laboratorio Nacional de Oak Ridge) Los investigadores del equipo provienen de los laboratorios nacionales del DOE Oak Ridge y Argonne y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, o el MIT, la Universidad de Carolina del Sur, Columbia y la Universidad de Tennessee, Knoxville. Las cerdas de su cristal multicapa, o "supercristal", crecen independientes sobre un sustrato. El ex becario postdoctoral de ORNL, Dongkyu Lee, sintetizó los supercristales usando epitaxia láser pulsada para depositar y construir capas alternas de óxido de cerio con estructura de fluorita (CeO2) y óxido de itrio con estructura de bixbyita (Y2O3). La realización de las cerdas a nanoescala fue posible gracias al desarrollo de un nuevo enfoque de síntesis de precisión que controla la agregación y la difusión de átomos durante el crecimiento de materiales de película delgada. Usando microscopía electrónica de transmisión de barrido, o STEM, el ex becario postdoctoral de ORNL, Xiang Gao, se sorprendió al descubrir interfaces cristalinas atómicamente precisas dentro de las cerdas. Ver la distribución de CeO2 y Y2O3 dentro del nanocepillo, Jonathan Poplawsky de ORNL midió muestras de las cerdas usando tomografía de sonda atómica, o APT, en el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. “APT es la única técnica disponible que es capaz de sondear las posiciones tridimensionales de los átomos en un material con una resolución subnanométrica y una sensibilidad química de 10 partes por millón”, dijo Poplawsky. "APT aclara las distribuciones locales de átomos dentro de un objeto de tamaño nanométrico y fue una excelente plataforma para proporcionar información sobre la estructura 3D de la interfaz entre las capas de óxido de cerio y óxido de itrio". Para un artículo de 2017 (Ciencia avanzada, “Fabricación controlada cinéticamente de TiO monocristalino2 Arquitecturas Nanobrush con facetas {001} de alta energía”), los investigadores dirigidos por ORNL utilizaron epitaxia mediante deposición láser pulsada para sintetizar con precisión nanocepillos con cerdas que contenían un solo compuesto. Para el artículo de 2020, utilizaron el mismo método para aplicar capas a dos compuestos, CeO2 e Y.2O3, fabricando las primeras cerdas híbridas con interfaces entre los dos materiales.
Tradicionalmente, las interfaces se alinean lateralmente colocando capas de diferentes cristales en películas delgadas, mientras que en los nuevos nanocepillos, cuando se cultivan en una superficie particular, las interfaces se alinean verticalmente mediante la minimización de la energía superficial en cerdas que tienen solo 10 nanómetros de ancho, unas 10,000 XNUMX veces más delgadas que un ser humano. pelo.
“Esta es una forma verdaderamente innovadora de construir nanoarquitecturas cristalinas, proporcionando interfaces verticales sin precedentes que nunca se consideraron viables”, dijo Ho Nyung Lee. "No se pueden lograr estas arquitecturas cristalinas perfectas con ningún otro método de síntesis". Añadió: "Hay muchas formas de utilizar interfaces, razón por la cual el ganador del Premio Nobel de 2000, Herbert Kroemer, dijo: 'la interfaz es el dispositivo'". Convencionalmente, depositar capas de materiales de película delgada sobre sustratos crea interfaces que están alineadas horizontalmente, lo que permite iones o electrones para moverse a lo largo del plano 2D del sustrato. El logro liderado por ORNL es una prueba de concepto de que es posible crear interfaces alineadas verticalmente a través de las cuales se pueden transportar electrones o iones fuera del plano del sustrato. Además, las arquitecturas como el nanocepillo podrían combinarse con otras arquitecturas a nanoescala para crear dispositivos para tecnologías cuánticas y detección, así como almacenamiento de energía.
La configuración de baja energía de la estructura de fluorita provocó la formación de patrones de cheurón únicos o formas de "V" invertida. Un ligero desajuste entre las diferentes estructuras de las subunidades cristalinas de fluorita y bixbyita provoca un desajuste de las cargas electrónicas en sus interfaces, lo que hace que los átomos de oxígeno dejen el lado de la fluorita, lo que conduce a la formación de defectos funcionales. Los espacios que quedan pueden formar iones de oxígeno interfaciales y crear un canal a escala atómica a través del cual pueden fluir los iones. “Estamos utilizando las interfaces no solo para crear iones de oxígeno artificialmente, sino también para guiar el movimiento de iones de una manera más deliberada”, dijo Lee.
Con la ayuda de Matthew Chisholm de ORNL, Gao usó STEM para descubrir la estructura atómica del cristal y la espectroscopia de pérdida de energía de electrones para revelar conocimientos químicos y electrónicos sobre la interfaz. “Observamos que una cuarta parte de los átomos de oxígeno se pierden en las interfaces”, dijo Chisholm. “También nos sorprendió el patrón de crecimiento de chevron. Al principio, fue fundamental comprender realmente cómo se forman las interfaces dentro de las cerdas”. El nanocepillo tiene una alta porosidad y su arquitectura es ventajosa para aplicaciones que necesitan una gran superficie para maximizar las interacciones electrónicas y químicas, como sensores, membranas y electrodos. Pero, ¿cómo podrían los científicos determinar la porosidad de su material? Los neutrones, partículas neutras que atraviesan los materiales sin destruirlos, proporcionaron una excelente herramienta para caracterizar la porosidad del material a granel. Los científicos utilizaron los recursos de Spallation Neutron Source, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, para la dispersión de neutrones de ángulo pequeño de rango Q extendido que determinó que el límite superior de porosidad era del 49%. "Las cerdas de crecimiento rápido pueden proporcionar una superficie 200 veces mayor que una película delgada 2D", dijo Michael Fitzsimmons, coautor de ORNL.
Añadió: “Lo que aprendamos puede hacer avanzar las aplicaciones de la ciencia de neutrones en el proceso. Mientras que las películas delgadas no brindan suficiente área de superficie para los estudios de espectroscopia de neutrones, la novedosa arquitectura de nanocepillos de ORNL sí lo hace, y podría ser una plataforma para aprender más sobre los materiales interfaciales cuando un haz de neutrones aún más brillante esté disponible en la Second Target Station de SNS, que es una construcción financiada. proyecto." Los cálculos teóricos del sistema material desde el nivel electrónico y atómico respaldaron los hallazgos sobre la creación de vacantes de oxígeno en las interfaces. Lixin Sun, colaborador del MIT, realizó cálculos de la teoría funcional de la densidad y simulaciones de dinámica molecular bajo la dirección de Bilge Yildiz.
“Nuestros cálculos teóricos revelaron cómo esta interfaz puede acomodar una química muy diferente en este tipo de interfaz única en comparación con los materiales a granel”, dijo Yildiz. Los cálculos del MIT predijeron la energía necesaria para eliminar un átomo de oxígeno neutro para formar una vacante cerca de la interfaz o en medio de una capa de óxido de cerio. "En particular, descubrimos que una gran fracción de los iones de oxígeno se elimina en la interfaz sin deteriorar la estructura de la red". Lee dijo: “De hecho, estas interfaces críticas podrían formarse dentro de las arquitecturas de nanocepillos, haciéndolas más prometedoras que las películas delgadas convencionales en muchas aplicaciones tecnológicas.
