Materiaalwetenschappers van de Universiteit van Minnesota hebben een nieuwe methode ontdekt om microscopische ‘fouten’ in ultradunne materialen te creëren en nauwkeurig te controleren. Deze interne onvolkomenheden, formeel bekend als extended defects, bieden een veelbelovende route om nanomaterialen van de volgende generatie te voorzien van ongekende eigenschappen, wat mogelijk tot aanzienlijke vooruitgang in de nanotechnologie kan leiden.
Uitgebreide defecten begrijpen
Uitgebreide defecten zijn verstoringen in de kristalstructuur van een materiaal die zich over een relatief groot gebied uitstrekken – in tegenstelling tot puntdefecten die afzonderlijke atomen beïnvloeden. Denk aan een ongerept kristalrooster als een perfect gerangschikt raster van bouwstenen; een langdurig defect is als een opzettelijke, zorgvuldig geplaatste breuk in dat raster. Het unieke aan deze defecten is dat ze een klein volume innemen, terwijl ze de eigenschappen van het omringende materiaal aanzienlijk beïnvloeden.
Ongekende controle bereiken
Het onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications, toonde het vermogen aan om gebieden in het materiaal te ontwikkelen met een dichtheid van deze uitgebreide defecten die tot 1000 maal groter is dan in gebieden zonder patroonvorming. Dit niveau van controle is cruciaal omdat het onderzoekers in staat stelt de eigenschappen van materialen in specifieke zones aan te passen.
“Deze uitgebreide defecten zijn opwindend omdat ze het hele materiaal bestrijken, maar een heel klein volume beslaan”, legt Andre Mkhoyan uit, een professor aan de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen van de Universiteit van Minnesota en senior auteur van het onderzoek. “Door deze kleine kenmerken zorgvuldig te controleren, kunnen we de eigenschappen van zowel het defect als het omringende materiaal benutten.”
De techniek: het creëren van defecten in patronen
De doorbraak van het team ligt in een nieuwe benadering van materiaalontwerp. Ze ontdekten dat ze, door kleine, defect-inducerende patronen op het oppervlak te creëren voordat de dunne film groeide, de dichtheid en het type uitgebreide defecten nauwkeurig konden controleren.
“We hebben een nieuwe manier bedacht om materialen te ontwerpen door kleine, defect-inducerende patronen op het substraatoppervlak te maken voordat er een dunne film op groeit”, zegt Supriya Ghosh, een afgestudeerde student in het Mkhoyan Lab en eerste auteur van het papier.
Deze techniek maakt het mogelijk materialen te creëren met drastisch verschillende eigenschappen in verschillende secties. Door defecten langs de dikte van het materiaal te concentreren, kunnen onderzoekers nieuwe films genereren waarin patronen op nanometergrootte grotendeels door deze defecten worden bepaald. Dit zou kunnen leiden tot radicale veranderingen in het materiële gedrag.
Bredere implicaties en toekomstige toepassingen
Hoewel het eerste onderzoek zich richtte op perovskietoxiden – een klasse materialen die steeds vaker worden gebruikt in zonnecellen en andere toepassingen – denken de onderzoekers dat deze methode kan worden aangepast aan verschillende soorten dunne materialen. De potentiële voordelen zijn verreikend. Het opent een weg naar de ontwikkeling van elektronische apparaten die de unieke eigenschappen van deze gecontroleerde defecten benutten.
Het onderzoeksteam bestond uit Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol en Bharat Jalan, allemaal van de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen, samen met Fengdeng Liu van de afdeling Elektrotechniek en Computertechniek.
In wezen toont dit onderzoek aan dat het strategisch introduceren van imperfecties geheel nieuwe functionaliteiten in nanomaterialen kan ontsluiten, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een nieuw tijdperk van materiaalontwerp.
Deze innovatieve benadering van materiaaltechnologie zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de nanotechnologie door een nauwkeurige en veelzijdige methode aan te bieden voor het creëren van materialen met op maat gemaakte eigenschappen op nanoschaal
