Команда во главе с Национальной лабораторией Министерства энергетики в Оук-Ридж синтезировали крошечный структура с большой площадью поверхности и обнаружил, как его уникальная архитектура накопителей ионов через интерфейсы для передачи энергии или информации. Их «nanobrush» содержит щетинки сделаны из чередующихся кристаллических листов с вертикально ориентированных интерфейсов и обильные поры.
«Эти крупные технические достижения и могут оказаться полезными в продвижении энергетических и информационных технологий», — сказал ORNL, США Хо Нианг Ли, который возглавлял исследование, опубликованное в Nature связи. «Это отличный пример работы, что осуществимо только с уникальных знаний и возможностей, существующих в национальных лабораторий».
Исследователи команды родом из Национальной лаборатории Оук-Ридж ДОУ и Аргоннской и Массачусетский Технологический институт, или Массачусетский технологический институт, Университет Южной Каролины, Колумбии и Университете Теннесси, Ноксвилл.
Щетинки их многослойные кристалл, или «supercrystal,» выращивают отдельно на подложке. Бывший научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Риджа Dongkyu ли синтезировали supercrystals с помощью импульсной лазерной эпитаксии на депозит и наращивать чередующихся слоев флюорит-структура оксида церия (CeO2) и Биксбит-структуры оксида иттрия (Y2O3). Реализации наноразмерных щетина стала возможной благодаря развитию Романа точности синтеза подхода, который контролирует атом, диффузия и агрегация в период роста тонкопленочных материалов. С помощью просвечивающей электронной микроскопии, или стебель, бывший научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Риджа Сян Гао был удивлен, обнаружив атомарно точный кристаллический интерфейсов в щетинки.
Чтобы увидеть распределение CeO2 и Y2O3 в nanobrush, Джонатан Poplawsky ORNL, США, измеряемых образцов от щетины, используя томографические атомно-зондовые исследования, или кв., в центре материалами nanophase наук, управления ДОУ науки пользователем объекта в ORNL. «Apt-это единственная доступная техника, которая способна выполнять измерения пространственных положений атомов в материале с субнанометровым разрешением и 10 частей на миллион химической чувствительности», — сказал Poplawsky. «АПТ уточняет локальное распределение атомов в наноразмерных объектов и является отличной площадкой для предоставления информации о 3D-структуры взаимодействия оксида церия и иттрия окисных слоев».
На 2017 бумаги, ORNL, США-вел исследователи использовали эпитаксии методом импульсного лазерного напыления, чтобы точно синтезировать nanobrushes с щетинками, содержащими только одно соединение. Для бумажной 2020, они использовали тот же метод, чтобы два слоя соединений, CeO2 и Y2O3, изготовляя первый гибридный щетинки с интерфейсами между двумя материалами. Традиционно, интерфейсы выравниваются с боков отводками разных кристаллов в тонких пленках, в то время как в романе nanobrushes при выращивании на определенной поверхности, интерфейсы вертикально через поверхность минимизации энергии в щетинки, которые находятся всего в 10 нанометров-примерно в 10 000 раз тоньше, чем человеческий волос.
«Это действительно инновационный способ создания кристаллический nanoarchitectures, предоставляя беспрецедентные по вертикали интерфейсы, которые никогда не считались жизнеспособными,» Хо Нианг Ли сказал. «Нельзя достичь совершенной кристаллической архитектуры из любой другой метод синтеза».
Он добавил: «Есть много способов, чтобы использовать интерфейсы, поэтому 2000 лауреат Нобелевской премии Гербертом Кремером сказал, ‘интерфейс устройства.'» Условно, депонирование слоев тонкопленочных материалов на подложках создает интерфейсы, которые были выровнены по горизонтали, позволяя ионам или электронам двигаться вдоль 2Д плоскости подложки. В ORNL, США-привело достижение-это доказательство концепции, что возможно создание вертикально ориентированных интерфейсов, посредством которых электроны или ионы могут транспортироваться из плоскости подложки. Кроме того, архитектур, как nanobrush могут быть объединены с другими наноразмерных архитектур для создания устройств для квантовых технологий и зондирования, а также для хранения энергии.
Конфигурации низкоэнергетических структуры флюорита обусловило формирование уникальных моделей шеврон, или в виде перевернутой «V» формы. Незначительное несоответствие между различными структурами флюорита и Биксбит Кристалл субъединиц вызывает несоответствие электронных зарядов на их интерфейсах, в результате атомы кислорода, чтобы освободить флюорит стороне, что приводит к формированию функциональных дефектов. Пробелы, которые остались могут образовать межфазный ионов кислорода и создать канал атомного масштаба, через которые ионы могут течь. «Мы используем интерфейсы не только для того, чтобы искусственно создать ионы кислорода, но и направлять движения ионов в более обдуманно», — сказал Ли.
С помощью ORNL, США Мэттью Чисхолм, Гао использовал стволовые раскрыть атомную структуру кристалла и энергии электронов-потери спектроскопии для выявления химических и электронных выводы об интерфейсе. «Мы отметили, что четверть атомов кислорода теряются на стыке», — сказал Чизхолм. «Мы также были удивлены роста шеврон. Крайне важно в начале, чтобы действительно понять, как интерфейсы форме в течение щетинки».
В nanobrush имеет высокую пористость, и его архитектура-это выгодно для приложений, нуждающихся в большой площади поверхности, чтобы максимизировать электронных и химических взаимодействий, таких как датчики, мембраны и электродов. Но как могли ученые определить пористость материала? Нейтроны — нейтральные частицы, которые проходят через материалы, не разрушая их … представляет собой отличный инструмент для определения пористости сыпучего материала. Ученые использовали ресурсы скалывания Источник нейтронов, лань Управления науки пользователем объекта в ORNL, на удлиненном Q-спектр малоуглового рассеяния нейтронов установлено, что верхний предел пористости должна быть 49%. «Быстро растет щетина может обеспечить примерно в 200 раз больше площади поверхности как 2D тонких пленок», — сказал ORNL, США соавтор Майкл Фитцсиммонс.
Он добавил: «то, что мы узнаем, может продвигаться применения нейтронной науки в процессе. В то время как тонкие пленки не обеспечивают достаточную площадь поверхности для нейтронной спектроскопии, исследований, Национальной лаборатории Ок-Риджа романа nanobrush архитектура, и может быть платформой для обучения больше о межфазной материалов, когда даже ярче пучка нейтронов становится доступным в СНС второго целевой станции, которая финансируется строительный проект.»
Теоретические расчеты материальной системы с электронном и атомном уровне поддерживали выводы о кислородных вакансий, создание на стыке. Автор МИТ Лисинь Солнце выполненных расчетов теории функционала плотности и молекулярной динамики под руководством трюмный Йылдыз.
«Наши теоретические расчеты показали, как этот интерфейс могут разместиться в основном различное химии на этого типа уникальный интерфейс по сравнению с сыпучие материалы», — сказал Йылдыз. Расчеты МИТ предсказал энергии, необходимой для удаления нейтральным атомом кислорода, чтобы образовать вакансию близко к интерфейсу или в середине слоя оксида церия. «В частности, мы обнаружили, что большая часть ионов кислорода удаляется по интерфейсу не влияет на структуру кристаллической решетки.»
Ли сказал: «Воистину, эти данные интерфейсы могут сформировать внутри nanobrush архитектур, что делает их более перспективными, чем обычных тонких пленок во многих технологических приложениях. Их гораздо больше площадь поверхности и большее количество интерфейсов — потенциально тысячи внутри каждой щетинки — может оказаться переломным моментом в технологии будущего, в котором интерфейс устройства».
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!