Ученые-материаловеды из Университета Миннесоты разработали новый метод создания и точного контроля микроскопических «дефектов» в ультратонких материалах. Эти внутренние несовершенства, формально известные как объемные дефекты, открывают многообещающий путь для наделения наноматериалов следующего поколения беспрецедентными свойствами, потенциально стимулируя значительный прогресс в нанотехнологиях.
Понимание объемных дефектов
Объемные дефекты – это нарушения кристаллической структуры материала, которые простираются на относительно большую площадь, в отличие от точечных дефектов, которые затрагивают отдельные атомы. Представьте себе безупречную кристаллическую решетку как идеально упорядоченную сетку строительных блоков; объемный дефект – это как намеренный, тщательно размещенный разрыв в этой сетке. Уникальность этих дефектов заключается в том, что они занимают небольшой объем, при этом оказывая значительное влияние на свойства окружающего материала.
Достижение беспрецедентного контроля
Исследование, опубликованное в Nature Communications, продемонстрировало способность конструировать области внутри материала с плотностью этих объемных дефектов во 1000 раз большей, чем в областях без узоров. Такой уровень контроля имеет решающее значение, поскольку он позволяет исследователям настраивать свойства материалов в определенных зонах.
«Эти объемные дефекты интересны тем, что они простираются по всему материалу, но занимают очень небольшой объем», — объясняет Андре Мкхоян, профессор кафедры химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты и старший автор исследования. «Тщательно контролируя эти крошечные особенности, мы можем использовать свойства как самого дефекта, так и окружающего материала».
Техника: Создание дефектов по шаблону
Прорыв команды заключается в новом подходе к проектированию материалов. Они обнаружили, что создавая крошечные, индуцирующие дефекты узоры на поверхности перед выращиванием тонкой пленки, они могут точно контролировать плотность и тип объемных дефектов.
«Мы нашли новый способ проектировать материалы, создавая крошечные, индуцирующие дефекты узоры на подложке перед выращиванием тонкой пленки», — говорит Суприя Гош, аспирантка лаборатории Мкхояна и первый автор статьи.
Эта техника позволяет создавать материалы с радикально разными свойствами в разных секциях. Концентрируя дефекты по толщине материала, исследователи могут генерировать новые пленки, где наноразмерные узоры в основном определяются этими дефектами. Это может привести к радикальным изменениям в поведении материала.
Более широкие последствия и будущие применения
Хотя первоначальное исследование было сосредоточено на перовскитных оксидах — классе материалов, все чаще используемых в солнечных элементах и других применениях, — исследователи считают, что этот метод применим к различным типам тонких материалов. Потенциальные выгоды весьма значительны. Он открывает путь к разработке электронных устройств, которые используют уникальные свойства, обусловленные этими контролируемыми дефектами.
В исследование вошли Джей Шах, Силу Гуо, Майянк Танвар, Донгхван Ким, Сриджит Наир, Мэтью Нейрок, Туран Бирол и Бхарат Джалан, все из кафедры химической инженерии и материаловедения, а также Фэндень Лю из кафедры электротехники и компьютерной инженерии.
По сути, это исследование демонстрирует, что стратегическое введение несовершенств может раскрыть совершенно новые функциональные возможности в наноматериалах, проложив путь к новой эре проектирования материалов.
Этот инновационный подход к материаловедению может совершить революцию в нанотехнологиях, предлагая точный и универсальный метод создания материалов с адаптированными свойствами в наноразмере.
