Une équipe dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a synthétisé une structure minuscule avec une grande surface et a découvert comment son architecture unique entraîne les ions à travers les interfaces pour transporter de l'énergie ou des informations. Leur "nanobrosse" contient des poils constitués de feuilles de cristal alternées avec des interfaces alignées verticalement et des pores abondants.

"Ce sont des réalisations techniques majeures et peuvent s'avérer utiles pour faire progresser les technologies de l'énergie et de l'information, " a déclaré Ho Nyung Lee de l'ORNL, qui a dirigé l'étude publiée dans Communication Nature . « C'est un excellent exemple de travail qui n'est réalisable qu'avec l'expertise et les capacités uniques disponibles dans les laboratoires nationaux. »

Les chercheurs de l'équipe viennent des laboratoires nationaux du DOE Oak Ridge et Argonne et du Massachusetts Institute of Technology, ou MIT, Université de Caroline du Sud, Colombie, et Université du Tennessee, Knoxville.

Les poils de leur cristal multicouche, ou "supercristal, " sont cultivés de manière autonome sur un substrat. L'ancien boursier postdoctoral de l'ORNL, Dongkyu Lee, a synthétisé les supercristaux par épitaxie laser pulsée pour déposer et construire des couches alternées d'oxyde de cérium à structure fluorite (CeO 2 ) et l'oxyde d'yttrium à structure bixbyite (Y2O3). La réalisation des poils à l'échelle nanométrique a été rendue possible par le développement d'une nouvelle approche de synthèse de précision qui contrôle la diffusion et l'agrégation des atomes pendant la croissance des matériaux à couche mince. En utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage, ou STEM, Xiang Gao, ancien boursier postdoctoral de l'ORNL, a été surpris de découvrir des interfaces cristallines atomiquement précises dans les poils.

Pour voir la répartition du PDG 2 Andy 2 O 3 dans la nanobrosse, Jonathan Poplawsky de l'ORNL a mesuré des échantillons des poils à l'aide de la tomographie par sonde atomique, ou APT, au Centre des sciences des matériaux en nanophase, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL. « APT est la seule technique disponible capable de sonder les positions tridimensionnelles des atomes dans un matériau avec une résolution inférieure au nanomètre et une sensibilité chimique de 10 parties par million, " Poplawsky a déclaré. " APT clarifie les distributions locales des atomes dans un objet nanométrique et était une excellente plate-forme pour fournir des informations sur la structure 3-D de l'interface entre les couches d'oxyde de cérium et d'oxyde d'yttrium. "

Pour un article de 2017, les chercheurs dirigés par l'ORNL ont utilisé l'épitaxie par dépôt laser pulsé pour synthétiser avec précision des nanobrosses avec des poils contenant un seul composé. Pour l'article 2020, ils ont utilisé la même méthode pour superposer deux composés, PDG 2 et Y2O 3 , fabriquer les premiers poils hybrides avec des interfaces entre les deux matériaux. Traditionnellement, les interfaces sont alignées latéralement en superposant différents cristaux dans des films minces, alors que dans les nouvelles nanobrosses lorsqu'elles sont cultivées sur une surface particulière, les interfaces sont alignées verticalement grâce à la minimisation de l'énergie de surface dans des poils de seulement 10 nanomètres de large - environ 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.

« C'est une façon vraiment innovante de construire des nanoarchitectures cristallines, fournir des interfaces verticales sans précédent qui n'ont jamais été considérées comme viables, " Ho Nyung Lee a déclaré. " Vous ne pouvez pas obtenir ces architectures cristallines parfaites à partir d'une autre méthode de synthèse. "

Il ajouta, « Il existe de nombreuses façons d'utiliser les interfaces, c'est pourquoi Herbert Kroemer, lauréat du prix Nobel 2000, a déclaré :'l'interface est l'appareil.'" Conventionnellement, le dépôt de couches de matériaux en film mince sur des substrats crée des interfaces alignées horizontalement, permettant aux ions ou aux électrons de se déplacer le long du plan 2D du substrat. La réalisation dirigée par ORNL est une preuve de concept qu'il est possible de créer des interfaces alignées verticalement à travers lesquelles des électrons ou des ions peuvent être transportés hors du plan du substrat. De plus, des architectures telles que la nanobrosse pourraient être combinées avec d'autres architectures à l'échelle nanométrique pour créer des dispositifs pour les technologies et la détection quantiques ainsi que le stockage d'énergie.

La configuration à basse énergie de la structure de la fluorite a provoqué la formation de motifs en chevron uniques, ou des formes en "V" inversé. Un léger décalage entre les différentes structures des sous-unités cristallines de fluorite et de bixbyite provoque un décalage des charges électroniques à leurs interfaces, provoquant l'évacuation des atomes d'oxygène du côté fluorite, ce qui conduit à la formation de défauts fonctionnels. Les espaces laissés peuvent former des ions d'oxygène interfaciaux et créer un canal à l'échelle atomique à travers lequel les ions peuvent circuler. "Nous utilisons les interfaces non seulement pour créer artificiellement des ions oxygène, mais aussi pour guider le mouvement des ions de manière plus délibérée, " dit Lee.

Avec l'aide de Matthew Chisholm de l'ORNL, Gao a utilisé STEM pour découvrir la structure atomique du cristal et la spectroscopie de perte d'énergie des électrons pour révéler des informations chimiques et électroniques sur l'interface. "Nous avons observé qu'un quart des atomes d'oxygène sont perdus aux interfaces, " a déclaré Chisholm. " Nous avons également été surpris par le modèle de croissance en chevron. Il était essentiel au début de vraiment comprendre comment les interfaces se forment à l'intérieur des poils."

La nanobrosse a une porosité élevée, et son architecture est avantageuse pour les applications nécessitant une grande surface pour maximiser les interactions électroniques et chimiques, tels que des capteurs, membranes et électrodes. Mais comment les scientifiques ont-ils pu déterminer la porosité de leur matériau ? Les neutrons, des particules neutres qui traversent les matériaux sans les détruire, ont fourni un excellent outil pour caractériser la porosité du matériau en vrac. Les scientifiques ont utilisé les ressources de la source de neutrons de spallation, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL, pour la diffusion des neutrons aux petits angles dans la plage Q étendue qui a déterminé la limite supérieure de la porosité à 49 %. "Les poils à croissance rapide peuvent fournir environ 200 fois plus de surface qu'un film mince 2D, " a déclaré le co-auteur de l'ORNL Michael Fitzsimmons.

Il ajouta, "Ce que nous apprenons peut faire progresser les applications de la science des neutrons dans le processus. Alors que les films minces ne fournissent pas une surface suffisante pour les études de spectroscopie neutronique, La nouvelle architecture de nanobrosses d'ORNL fait, et pourrait être une plate-forme pour en savoir plus sur les matériaux interfaciaux lorsqu'un faisceau de neutrons encore plus brillant sera disponible à la deuxième station cible de SNS, qui est un projet de construction financé."

Les calculs théoriques du système matériel au niveau électronique et atomique ont soutenu les découvertes sur la création de lacunes d'oxygène aux interfaces. La collaboratrice du MIT, Lixin Sun, a effectué des calculs de théorie fonctionnelle de la densité et des simulations de dynamique moléculaire sous la direction de Bilge Yildiz.

"Nos calculs théoriques ont révélé comment cette interface peut s'adapter à une chimie largement différente à ce type d'interface unique par rapport aux matériaux en vrac, ", a déclaré Yildiz. Les calculs du MIT ont prédit l'énergie nécessaire pour éliminer un atome d'oxygène neutre pour former une lacune proche de l'interface ou au milieu d'une couche d'oxyde de cérium. "En particulier, nous avons constaté qu'une grande fraction des ions oxygène est éliminée à l'interface sans détériorer la structure du réseau."

Lee a dit, "En effet, ces interfaces critiques pourraient se former à l'intérieur d'architectures de nanobrosses, ce qui les rend plus prometteurs que les films minces conventionnels dans de nombreuses applications technologiques. Leur surface beaucoup plus grande et leur plus grand nombre d'interfaces—potentiellement, des milliers à l'intérieur de chaque poil - peut changer la donne dans les futures technologies dans lesquelles l'interface est l'appareil."

Le titre de l'article est « Formation de lacunes d'oxygène colossales à une interface fluorite-bixbyite ».