کنترل فیلم نازک با اتم “رنگ آمیزی اسپری”

کنترل فیلم نازک با اتم “رنگ آمیزی اسپری”


توسط بت موندی

بدون فیلم های نازک خبری ، هیچ وسیله الکترونیکی مدرن یا آینه با کیفیت بالا وجود نخواهد داشت. تراشه های نیمه هادی مورد استفاده در تلفن های همراه و رایانه های ما به فیلم های نازکی از مواد مختلف ، از جمله حداقل یک فلز و اکسیدهای فلزی حاوی اکسیژن متکی هستند.

لایه های نازک اکسید فلز تنها به عنوان یک لایه در لوازم الکترونیکی عمل می کنند. آنها در سنجش ، کاتالیز و ذخیره انرژی کاربرد دارند. درک محتوای لایه اتمی برای تغییر لایه مایع در باتری یا تشکیل یک فیلم نازک که باعث تغییرات شیمیایی خاصی می شود ، ضروری است. در آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام (PNNL) ، محققان در حال بررسی نحوه تشکیل فیلم های نازک اکسید فلز هستند که می توانند برای تولید انرژی پاک مورد استفاده قرار گیرند.

اسکات چمبرز ، دانشمند و متخصص آزمایشگاه مواد PNNL ، گفت: “من دوست دارم به کارهایی که ما به عنوان مولکول های رنگ آمیزی اسپری انجام می دهیم فکر کنم. فیلم های نازک با کیفیت و کریستالی می توان ساخت.

به عنوان مثال ، برخی از فیلم های نازک همیشه الکتریسیته را هدایت می کنند و برخی دیگر این کار را نمی کنند. با انباشته شدن فیلم های مختلف ، دانشمندان می توانند نحوه واکنش آنها به جریان الکتریکی را تغییر دهند.

پیتر سوسکو ، دانشمند ادبیات در PNNL ، می گوید: “توانایی ما در توسعه فناوری پیشرفته انرژی بستگی به نحوه ایجاد یک لایه نازک از مواد دارد.

تجهیزات سنتز پیشرفته برای ساخت فیلمهای اکسیدی بسیار نازک با دقت بالا مورد نیاز است. تجهیزات در حال انتقال به آزمایشگاه جدید و بزرگتر در مرکز علوم انرژی PNNL (ESC) است. گروه مواد دقیق هسته ای در حال حاضر از دو سیستم اپیتاکسی پرتو مولکولی و یک دستگاه رسوب دهی لیزری پالس استفاده می کند. افزودن برنامه ریزی شده دیگر دستگاه رسوب دهی لیزری ، توانایی تیم را در تولید فیلم های نازک تجربی بیشتر و متفاوت افزایش می دهد.

تغییرات کوچک در فیلم های نازک تأثیرات قابل توجهی دارد

Le Wang ، دانشمند مواد PNNL ، یک مطالعه اخیر را رهبری کرد که از فیلم های دقیق نازک اتم ها برای تشکیل کاتالیزورهای پایدار با عملکرد بالا استفاده کرد. آنها کشف کردند که لانتانیم اکسید آهن نیکل (LaNi) است1-xFeایکسO3 یا LNFO) فیلم نازک بر توانایی آنها در تبدیل آب به اکسیژن تأثیر می گذارد. این واکنش برای تولید انرژی پاک مهم است. LNFO توانایی کاهش یا جایگزینی نیاز به کاتالیزور بر اساس فلزات گرانبها گران قیمت را دارد.

تحقیقات قبلی نشان داده بود که لانتانیم با جایگزینی مقداری آهن نیکل ، توانایی اکسید نیکل در تولید اکسیژن را افزایش می دهد. با این حال ، دلیل دقیق این ابتکار افزایش یافته مشخص نیست.

تیم تحقیقاتی PNNL از فیلم و ابزار دقیق خود برای رفع این عدم قطعیت استفاده کرد. کار ، منتشر شده در حروف نانو ، شواهد و توضیحات روشنی در مورد اینکه چرا مخلوط کردن نیکل و آهن باعث کارآیی بیشتر اکسیژن می شود ارائه می دهد.

محققان PNNL مجموعه ای از فیلم های نازک LNFO با کیفیت بالا را تولید کردند ، از اکسید نیکل لانتانوم خالص گرفته تا اکسید آهن لانتانیم و ترکیبات میانی. آنها همچنین چندین استاندارد با کیفیت بالا ایجاد کردند که همه با ابزارهای یکسانی اندازه گیری می شوند و به محققان اجازه می دهند تغییرات کوچکی اما نتیجه ای در ساختار الکترونیکی مواد ایجاد کنند.

تغییرات کوچک نشان داد که آهن برخی از الکترونهای خود را به نیکل منتقل کرده است که به عنوان انتقال بار شناخته می شود. انتقال شارژ باعث می شود که مواد به اکسیژن آب تبدیل شوند. با تشخیص این انتقال هزینه که قبلاً دیده نشده بود ، محققان به این نتیجه رسیدند که چرا LNFO به عنوان یک کاتالیزور بزرگ عمل می کند.

مدل سازی برای درک مقیاس اتمی

این تیم از روش چند بعدی در تحقیقات خود استفاده می کند. آنها مواد جدید را سنتز کرده و ترکیب آنها را در آزمایشگاه نشان می دهند. با این حال ، آزمایشات روی نیمکت محدودیتی در میزان جزئیات آنها دارد. تیم چنین سلاح مخفی ندارد؟ تئوری.

ترکیب نظریه و آزمایش بینش عمیقی در فیلم های نازک اکسید ایجاد می کند. مدل سازی کامپیوتری بینشی در مورد چگونگی حرکت اتمها بر روی سطح فیلم و نحوه تنظیم مجدد الکترونها در مقیاسهای کوچکتر از قطر اتم ارائه می دهد. در این پروژه ، محققان می خواستند ببینند آیا اتم های موجود در LNFO شبیه سازی شده نشانه های ظریفی از انتقال بار را که در آزمایشگاه مشاهده کردند ، نشان می دهند یا خیر.

“وقتی با پیتر آشنا شدیم ، یک روز هیجان انگیز بود [Sushko]وانگ گفت ، محاسبه شده و با داده های تجربی ما مطابقت دارد. “این یافته ها استدلال ما را در مورد اهمیت انتقال هزینه در LNFO واقعا تأیید کرد.”

نگاهی به آینده فیلم های نازک

این تحقیقات در ESC ادامه می یابد ، جایی که پنجره های بزرگ فضای جدید آزمایشگاه با دید بالا را روشن می کند. هرکسی که وارد لابی ESC می شود می تواند محقق را در حال ایجاد الگوهای جدید ببیند. سوشکو گفت: “ما منتظر سفر علمی خود برای بازدیدکنندگان از ESC هستیم.” “به غیر از آزمایشگاه بزرگ و تجهیزات اضافی ، ما مشتاق زندگی مشترک در یک ساختمان هستیم.”

بعد؟ محققان قصد دارند تا حدی لانتانیم را با استرانسیوم در یک سیستم تک فیلم جایگزین کرده و اکسیدهایی را با چهار فلز مختلف تشکیل دهند. این به تیم کمک می کند تا تغییرات در ترکیب و خواص فیلم های پیچیده اکسیدی را درک کند. درک چنین فرآیندهایی تلاش های جدید سنتز را برای طراحی کاتالیزورهای بهتر هدایت می کند.

این کار توسط وزارت انرژی ، دفتر علوم ، برنامه علوم پایه انرژی ، گروه ادبیات و مهندسی پشتیبانی می شود.

تیم تحقیقاتی برای نانو حروف این مقاله شامل یک گروه بین المللی از همکاران ، از جمله استیون اسپورجن از PNNL ، Bethany Mathews ، Mark Bowden ، Tiffany Caspar ، Han Wang ، Linda Wangoh ، Tamas Varga ، Theva Thevuthasan و Yinge Doo است.



دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *