La synthèse et les mesures de haute précision de couches minces d'oxyde ont aidé les chercheurs à déterminer comment le fer affecte le fonctionnement du matériau, par exemple dans sa capacité à convertir l'eau en oxygène dans une pile à combustible. Crédit :Timothy Holland | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Sans films minces, il n'y aurait pas d'électronique moderne ou de miroirs de haute qualité. Les puces semi-conductrices utilisées dans nos téléphones portables et ordinateurs reposent sur des films minces constitués de différents matériaux, y compris les oxydes métalliques qui contiennent au moins un métal ainsi que de l'oxygène.
Les films minces d'oxyde métallique servent plus qu'une simple couche dans l'électronique. Ils ont des applications dans la détection, catalyse, et le stockage d'énergie. Créer des films minces pouvant remplacer la couche liquide dans les batteries ou favoriser des transformations chimiques spécifiques nécessite de comprendre les matériaux à un niveau atomique. Au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), les chercheurs étudient comment concevoir des films minces d'oxyde métallique pouvant être exploités pour produire de l'énergie propre.
"J'aime penser à ce que nous faisons comme à la pulvérisation d'une cible avec des atomes, " a déclaré Scott Chambers, scientifique des matériaux et chercheur en laboratoire du PNNL. Son équipe utilise une technique, appelée épitaxie par faisceau moléculaire, pour déposer des éléments atome par atome sur un cristal solide. Cela permet aux chercheurs de réaliser des couches minces cristallines avec un contrôle précis de leur composition et de leur structure.
Par exemple, certains films minces conduisent toujours l'électricité et d'autres non. En empilant différents films, les scientifiques peuvent changer leur façon de réagir à un courant électrique.
« Notre capacité à développer des technologies énergétiques avancées dépend de notre capacité à fabriquer de fines couches de matériaux, " a déclaré Peter Sushko, un scientifique des matériaux au PNNL.
La fabrication de films d'oxyde extrêmement minces avec une grande précision nécessite un équipement de synthèse avancé. Cet équipement déménage dans un nouveau et plus grand laboratoire du Centre des sciences de l'énergie (ESC) du PNNL. L'équipe Atomically Precise Materials utilise actuellement deux systèmes d'épitaxie par faisceau moléculaire et un instrument de dépôt par laser pulsé. L'ajout prévu d'un autre instrument de dépôt par laser pulsé augmentera la capacité de l'équipe à créer des films minces expérimentaux plus nombreux et différents.
De petits changements dans les couches minces ont des impacts significatifs
Le Wang, un scientifique des matériaux du PNNL, a mené une étude récente qui a exploité des films minces atomiquement précis pour fabriquer des catalyseurs stables à hautes performances. Ils ont découvert que la variation de la composition de l'oxyde de fer nickel lanthane (LaNi
Des recherches antérieures ont démontré que le remplacement d'une partie du nickel par du fer dans l'oxyde de nickel et de lanthane augmente la capacité du matériau à générer de l'oxygène. Cependant, la raison exacte de cette activité accrue n'était pas claire.
Le Wang utilise un instrument de spectroscopie photoélectronique à rayons X pour mesurer la composition et la structure électronique des films minces synthétisés. Crédit :Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
L'équipe de recherche du PNNL a utilisé ses films et son instrumentation de haute précision pour remédier à cette incertitude. L'oeuvre, Publié dans Lettres nano , fournit des preuves et des explications claires pour lesquelles le mélange de nickel et de fer conduit à une formation d'oxygène plus efficace.
Les chercheurs du PNNL ont synthétisé une série de couches minces de LNFO de haute qualité, de l'oxyde de lanthane nickel pur à l'oxyde de lanthane fer et une gamme de compositions intermédiaires. Ils ont également établi plusieurs normes de haute qualité, tous mesurés avec le même équipement, qui a permis aux chercheurs de se concentrer sur de petits, mais conséquent, changements dans la structure électronique des matériaux.
Les petits changements ont montré que le fer transférait certains de ses électrons au nickel dans un processus connu sous le nom de transfert de charge. Le transfert de charge permet au matériau de convertir plus facilement l'eau en oxygène. L'identification de ce transfert de charge inédit a permis aux chercheurs de comprendre pourquoi LNFO agit comme un meilleur catalyseur.
Modélisation pour la compréhension à l'échelle atomique
L'équipe utilise une approche à plusieurs volets dans ses recherches. Ils synthétisent de nouveaux matériaux et caractérisent leur structure en laboratoire. Cependant, les expériences sur paillasse ont des limites quant à la quantité de détails qu'elles peuvent révéler. L'arme pas si secrète de l'équipe ? Théorie.
La combinaison de la théorie et des expériences génère des informations plus approfondies sur les films minces d'oxyde. La modélisation informatique permet de mieux comprendre comment les atomes se déplacent à la surface du film et comment les électrons se réorganisent à des échelles inférieures au diamètre d'un atome. Dans ce projet, les chercheurs voulaient voir si les atomes du LNFO simulé montraient les mêmes signes subtils de transfert de charge qu'ils avaient observés en laboratoire.
"Ce fut une journée passionnante lorsque nous avons récupéré les calculs de Peter [Sushko] et qu'ils correspondaient si bien à nos données expérimentales, ", a déclaré Wang. "Ces résultats ont vraiment validé notre argument sur l'importance du transfert de charge dans LNFO."
Regard sur l'avenir des couches minces
Cette recherche se poursuivra à l'ESC, où de grandes fenêtres mettront en lumière un nouvel espace de laboratoire à haute visibilité. Toute personne entrant dans le hall de l'ESC pourra voir les chercheurs faire de nouveaux échantillons. « Nous sommes ravis de la fenêtre sur notre science que le déménagement offrira aux visiteurs de l'ESC, " a déclaré Sushko. " En plus du plus grand laboratoire et de l'instrumentation supplémentaire, nous avons tous hâte d'être ensemble dans le même bâtiment."
Suivant? Les chercheurs prévoient de remplacer partiellement le lanthane par du strontium dans le même système de film, créant un oxyde avec quatre métaux différents. Cela aidera l'équipe à mieux comprendre les changements dans les structures et les propriétés des films d'oxyde complexes. La compréhension de ces processus guidera de nouveaux efforts de synthèse pour concevoir des catalyseurs encore meilleurs.
