Materialwissenschaftler der University of Minnesota haben eine neuartige Methode entdeckt, um mikroskopische „Fehler“ in ultradünnen Materialien zu erzeugen und präzise zu kontrollieren. Diese internen Unvollkommenheiten, die offiziell als „erweiterte Defekte“ bekannt sind, bieten einen vielversprechenden Weg, um Nanomaterialien der nächsten Generation mit beispiellosen Eigenschaften auszustatten und möglicherweise bedeutende Fortschritte in der Nanotechnologie auszulösen.
Erweiterte Fehler verstehen
Bei ausgedehnten Defekten handelt es sich um Störungen in der Kristallstruktur eines Materials, die sich über eine relativ große Fläche erstrecken – im Gegensatz zu Punktdefekten, die einzelne Atome betreffen. Stellen Sie sich ein makelloses Kristallgitter wie ein perfekt angeordnetes Gitter aus Bausteinen vor; Ein ausgedehnter Defekt ist wie ein absichtlicher, sorgfältig platzierter Bruch in diesem Gitter. Das Besondere an diesen Defekten ist, dass sie ein kleines Volumen einnehmen und gleichzeitig die Eigenschaften des umgebenden Materials erheblich beeinflussen.
Erreichen einer beispiellosen Kontrolle
Die in Nature Communications veröffentlichte Forschung zeigte die Möglichkeit, Bereiche innerhalb des Materials mit einer bis zu 1.000-mal größeren Dichte dieser ausgedehnten Defekte zu konstruieren als in Bereichen ohne Strukturierung. Dieses Maß an Kontrolle ist von entscheidender Bedeutung, da es Forschern ermöglicht, die Materialeigenschaften in bestimmten Zonen anzupassen.
„Diese ausgedehnten Defekte sind aufregend, weil sie sich über das gesamte Material erstrecken, aber ein sehr kleines Volumen einnehmen“, erklärt Andre Mkhoyan, Professor am Department of Chemical Engineering and Materials Science der University of Minnesota und leitender Autor der Studie. „Durch die sorgfältige Kontrolle dieser winzigen Merkmale können wir die Eigenschaften sowohl des Defekts als auch des umgebenden Materials nutzen.“
Die Technik: Musterfehlererzeugung
Der Durchbruch des Teams liegt in einem neuen Ansatz für das Materialdesign. Sie fanden heraus, dass sie durch die Erzeugung winziger, defekterzeugender Muster auf der Oberfläche vor dem Aufwachsen des dünnen Films die Dichte und Art ausgedehnter Defekte präzise steuern konnten.
„Wir haben einen neuen Weg gefunden, Materialien zu entwerfen, indem wir winzige, fehlerverursachende Muster auf der Substratoberfläche erzeugen, bevor wir einen dünnen Film darauf wachsen lassen“, sagte Supriya Ghosh, eine Doktorandin im Mkhoyan Lab und Erstautorin der Arbeit.
Diese Technik ermöglicht die Herstellung von Materialien mit drastisch unterschiedlichen Eigenschaften in verschiedenen Abschnitten. Durch die Konzentration von Defekten entlang der Materialdicke können Forscher neue Filme erzeugen, bei denen nanometergroße Muster weitgehend durch diese Defekte bestimmt werden. Dies könnte zu radikalen Veränderungen im Materialverhalten führen.
Umfassendere Implikationen und zukünftige Anwendungen
Während sich die ursprüngliche Studie auf Perowskitoxide konzentrierte – eine Materialklasse, die zunehmend in Solarzellen und anderen Anwendungen verwendet wird – glauben die Forscher, dass diese Methode auf verschiedene Arten dünner Materialien anwendbar ist. Die potenziellen Vorteile sind weitreichend. Es eröffnet einen Weg zur Entwicklung elektronischer Geräte, die sich die einzigartigen Eigenschaften dieser kontrollierten Defekte zunutze machen.
Zum Forschungsteam gehörten Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol und Bharat Jalan, alle vom Fachbereich Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften, sowie Fengdeng Liu vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik.
Im Wesentlichen zeigt diese Forschung, dass die strategische Einführung von Unvollkommenheiten völlig neue Funktionalitäten in Nanomaterialien freisetzen und den Weg für eine neue Ära des Materialdesigns ebnen kann.
Dieser innovative Ansatz der Materialtechnik könnte die Nanotechnologie revolutionieren, indem er eine präzise und vielseitige Methode zur Herstellung von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften auf der Nanoskala bietet
