크리스탈 '나노 브러시’

이것으로 많은 것을 만들 수 있습니다

2020년 6월 8일 에너지부의 오크리지 국립연구소가 이끄는 팀이 표면적이 높은 작은 구조를 합성하고 독특한 아키텍처가 에너지 또는 정보를 전송하기 위해 인터페이스를 가로질러 이온을 구동하는 방법을 발견했습니다. 그들의 나노 브러시는 수직으로 정렬된 인터페이스와 풍부한 모공을 가진 교대로 크리스탈 시트로 만든 강모가 포함되어 있습니다. 오크리지 국립연구소의 자연 커뮤니케이션에 간행된 연구 결과, 중요한 기술적인 성취이고 에너지와 정보 기술 발전에 유용할지도 모릅니다. 이것은 국가 실험실에서 사용할 수 있는 독특한 전문 지식과 기능으로만 실현 가능한 작업의 훌륭한 예입니다. 다층 결정 또는 초결정의 강모는 기판에서 자립하여 재배됩니다. 전 오크리지 국립연구소 박사는 펄스 레이저에피택시를 사용하여 초결정을 합성하여 형광구조 세륨 산화물 및 빅스 바이트 바이트 구조 이트륨 산화물의 교대층을 증착하고 구축했습니다. 나노 스케일 강모의 실현은 박막 물질의 성장 동안 원자 확산 및 응집을 제어하는 새로운 정밀 합성 접근법의 개발에 의해 가능하게되었습니다. 스캐닝 투과 전자 현미경 검사법을 사용하여 강모 내의 원자적으로 정확한 결정계를 발견하는 것에도 놀랐습니다. 나노 브러시 내에서 산화세륨 및 이트륨 옥사이드의 분포를 보기 위해 오크리지 국립연구소의 조나단 파러스키는 오크리지 국립연구소의 실험계획법 과학 사용자 시설 센터인 나노 위상 재료 과학 센터에서원자 프로브 단층 촬영또는 지능형 지속 공격을 사용하여 강모에서 샘플을 측정했습니다. 지능형 지속 공격은 나노미터 이하의 해상도와 백만 화학 감도 당 부품재료에 있는 원자의 3차원 위치를 조사할 수 있는 유일한 기술입니다. 지능형 지속 공격은 나노 크기의 물체 내에서 원자의 국부적 분포를 명확히 하고 세륨 산화물층과 이트륨 산화물층 사이의 인터페이스의 3차원 구조에 대한 정보를 제공하는 훌륭한 플랫폼이었습니다. 2017년 파페의 경우 오크리지 국립연구소 주도 연구원은 펄스 레이저 증착에 의한 에피택시를 사용하여 나노 브러시를 하나의 화합물만 함유된 강모로 정밀하게 합성했습니다. 2020년 용지의 경우 동일한 방법을 사용하여 산화세륨 및 이트륨 옥사이드의 두 화합물을 레이어링하여 두 재료 사이의 인터페이스가 있는 최초의 하이브리드 강모를 제작했습니다. 전통적으로 인터페이스는 얇은 필름에 다른 결정을 겹쳐서 측면으로 정렬하는 반면, 새로운 나노 브러시에서는 특정 표면에서 재배할 때 인터페이스는 인간의 머리카락보다 약 10배 더 얇은 10나노미터 너비의 강모의 표면 에너지 최소화를 통해 수직으로 정렬됩니다. 이것은 결정성 나노 아키텍처를 구축하는 진정으로 혁신적인 방법이며, 결코 실행 가능하다고 생각되지 않았던 전례 없는 수직 인터페이스를 제공합니다. 다른 합성 방법에서 이러한 완벽한 결정 구조를 얻을 수 없습니다. 인터페이스를 활용하는 방법은 여러 가지가 있는데, 2000년 노벨상 수상자 허버트 크로머가 '인터페이스는 장치'라고 말할 수 있습니다. 종래에는 기판에 박막 재료층을 증착하면 수평으로 정렬된 인터페이스가 생성되어 이온이나 전자가 기판의 2차원 평면을 따라 이동할 수 있습니다. 오크리지 국립연구소 주도의 성취는 전자 또는 이온이 기판의 평면에서 수송될 수 있는 수직 정렬된 인터페이스를 만들 수 있다는 개념의 증거입니다. 또한 나노 브러시와 같은 아키텍처는 다른 나노 스케일 아키텍처와 결합되어 양자 기술 및 감지 및 에너지 저장장치를 만들 수 있습니다. 불소 구조의 저에너지 구성은 독특한 갈매기 패턴의 형성을 일으켰거나 '브이' 모양을 반전시켰습니다. 불소와 빅스바이석 결정 소단위의 서로 다른 구조 사이의 약간의 불일치는 그들의 인터페이스에서 전자 전하의 불일치를 일으켜 산소 원자가 불소 측을 비우게하여 기능적 결함의 형성을 초래합니다. 뒤에 남겨진 공간은 계면 산소 이온을 형성하고 이온이 흐를 수 있는 원자 규모 채널을 만들 수 있습니다. 인위적으로 산소 이온을 생성할 뿐만 아니라 보다 신중한 방식으로 이온 이동을 안내하기 위해 인터페이스를 사용하고 있습니다. 오크리지 국립연구소의 매튜 치스홀름의 도움으로 가오는 스템을 사용하여 결정 및 전자 에너지 손실 분광법의 원자 구조를 밝혀 인터페이스에 대한 화학적 및 전자적 통찰력을 발견했고, 산소 원자의 분기가 인터페이스에서 손실되는 것을 관찰했습니다. 또한 셰브론 성장 패턴에 놀랐습니다. 처음에는 강모 내에서 인터페이스가 어떻게 형성되는지 이해하는 것이 중요했습니다. 나노 브러시는 다공성이 높으며 센서, 멤브레인 및 전극과 같은 전자 및 화학적 상호 작용을 최대화하기 위해 넓은 표면적을 필요로 하는 응용 분야에 유리합니다. 그러나 과학자들은 어떻게 물질의 다공성을 결정할 수 있을지 궁금합니다. 중성자는 물질을 파괴하지 않고 통과하는 중성자인 벌크 재료의 다공성을 특성화하기 위한 훌륭한 도구를 제공했습니다. 과학자들은 오크리지 국립연구소의 과학 사용자 시설의 실험계획법 사무실인 액상 수은으로 채워진 강철 타겟에 스폴레이션이라는 프로세스를 통해 짧은 양성자 펄스를 전달하는 가속기 기반 시스템으로 중성자를 생산하는 자원을 사용하여 다공성의 상한을 49%로 결정하는 확장된 Q범위의 소형 각도 중성자 산란을 사용했습니다. 빠르게 자란 강모는 2차원 박막보다 약 200배 많은 표면적을 제공할 수 있습니다. 우리가 배우는 것은 그 과정에서 중성자 과학의 응용을 진전시킬 수 있습니다. 박막은 중성자 분광 연구를 위한 충분한 표면적을 제공하지 않는 반면, 오크리지 국립연구소의 새로운 나노 브러시 아키텍처는 시공 프로젝트인 스폴레이션 뉴트론 소스의 두 번째 대상 스테이션에서 더 밝은 중성자 빔을 사용할 수 있게 되면 계면 물질에 대해 더 많은 것을 배울 수 있는 플랫폼이 될 수 있습니다. 전자 및 원자 수준에서 재료 시스템의 이론적 계산은 인터페이스에서 산소 공석 생성에 대한 연구 결과를 뒷받침합니다. 이론적 계산은 이 인터페이스가 벌크 재료에 비해 독특한 인터페이스의 이 모형에 크게 다른 화학을 수용할 수 있는 방법을 밝혔습니다. 매사추세츠 공과대학교의 계산은 중성 산소 원자를 제거하여 인터페이스에 가까운 공석을 형성하거나 세륨 산화물층의 중간에 있는 에너지를 예측했습니다. 특히, 우리는 격자 구조를 악화하지 않고 인터페이스에서 산소 이온의 큰 분율이 제거되는 것을 발견했습니다. 실제로 이러한 중요한 인터페이스는 나노 브러시 구조물 내부에서 형성될 수 있으므로 많은 기술 응용 분야에서 기존의 박막보다 더 유망합니다. 그들의 훨씬 더 큰 표면적과 더 많은 수의 인터페이스 즉, 잠재적으로 각 강모 안에 수천 개 인터페이스가 장치인 미래 기술의 판도를 바꿀 수 있습니다.