Materiáloví vědci z University of Minnesota vyvinuli novou metodu pro vytváření a přesnou kontrolu mikroskopických „defektů“ v ultratenkých materiálech. Tyto vnitřní nedokonalosti, formálně známé jako objemové defekty, nabízejí slibnou cestu k tomu, aby další generaci nanomateriálů vybavily bezprecedentními vlastnostmi, což potenciálně podnítí významný pokrok v nanotechnologii.
Porozumění vadám svazku
Objemové defekty jsou poruchy v krystalické struktuře materiálu, které se rozprostírají na relativně velké ploše, na rozdíl od bodových defektů, které postihují jednotlivé atomy. Představte si bezchybnou krystalickou mřížku jako dokonale uspořádanou mřížku stavebních bloků; objemová vada je jako úmyslný, pečlivě umístěný zlom v této síti. Jedinečnost těchto defektů spočívá v tom, že zabírají malý objem a přitom mají významný vliv na vlastnosti okolního materiálu.
Dosažení bezprecedentní kontroly
Výzkum publikovaný v Nature Communications prokázal schopnost navrhnout oblasti v materiálu s hustotou těchto objemových defektů 1000krát větší než v oblastech bez vzoru. Tato úroveň kontroly je kritická, protože umožňuje výzkumníkům vyladit vlastnosti materiálů ve specifických oblastech.
“Na těchto objemových defektech je zajímavé, že se rozprostírají po celém materiálu, ale zabírají velmi malý objem,” vysvětluje Andre Mkhoyan, profesor na katedře chemického inženýrství a materiálových věd na University of Minnesota a hlavní autor studie. “Pečlivou kontrolou těchto drobných rysů můžeme využít vlastnosti defektu samotného i okolního materiálu.”
Technika: Vytváření defektů pomocí šablony
Průlom týmu spočívá v novém přístupu k designu materiálů. Zjistili, že vytvořením drobných, defekty vyvolávajících vzorů na povrchu před vypěstováním tenkého filmu, mohli přesně řídit hustotu a typ objemových defektů.
„Našli jsme nový způsob, jak navrhovat materiály vytvořením drobných vzorů způsobujících defekty na substrátu před vypěstováním tenkého filmu,“ říká Supriya Ghosh, postgraduální studentka v Mkhoyanově laboratoři a první autorka článku.
Tato technika umožňuje vytvářet materiály s radikálně odlišnými vlastnostmi v různých řezech. Soustředěním defektů v celé tloušťce materiálu mohou výzkumníci generovat nové filmy, kde jsou vzory v nanoměřítku primárně určeny těmito defekty. To může vést k radikálním změnám v chování materiálu.
Širší implikace a budoucí aplikace
Zatímco počáteční výzkum se soustředil na oxidy perovskitu, třídu materiálů, které se stále častěji používají v solárních článcích a dalších aplikacích, vědci se domnívají, že tato technika je použitelná pro různé typy tenkých materiálů. Potenciální přínosy jsou značné. Připravuje cestu pro vývoj elektronických zařízení, která využívají jedinečných vlastností poskytovaných těmito kontrolovanými defekty.
Do studie se zapojili Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Srijit Nair, Matthew Neurok, Turan Birol a Bharat Jalan, všichni z katedry chemického a materiálového inženýrství, a Fengden Liu z katedry elektrotechniky a počítačového inženýrství.
Tento výzkum v podstatě ukazuje, že strategické zavedení nedokonalostí může odemknout zcela nové funkce v nanomateriálech a připravit půdu pro novou éru materiálového designu.
Tento inovativní přístup k vědě o materiálech má potenciál způsobit revoluci v nanotechnologii tím, že nabízí přesnou a všestrannou metodu pro vytváření materiálů s přizpůsobenými vlastnostmi v nanoměřítku.
