Матеріалознавці з Університету Міннесоти розробили новий метод створення та точного контролю мікроскопічних «дефектів» у надтонких матеріалах. Ці внутрішні недоліки, офіційно відомі як об’ємні дефекти, пропонують багатообіцяючий шлях до наділення наноматеріалів наступного покоління безпрецедентними властивостями, що потенційно може сприяти значному прогресу в нанотехнологіях.
Розуміння дефектів гучності
Об’ємні дефекти – це порушення кристалічної структури матеріалу, які поширюються на відносно велику площу, на відміну від точкових дефектів, які впливають на окремі атоми. Думайте про бездоганну кристалічну решітку як про ідеально впорядковану сітку будівельних блоків; об’ємний дефект подібний до навмисного, ретельно розміщеного розриву в цій сітці. Унікальність цих дефектів полягає в тому, що вони займають невеликий об’єм, при цьому істотно впливаючи на властивості навколишнього матеріалу.
Досягнення безпрецедентного контролю
Дослідження, опубліковане в Nature Communications, продемонструвало здатність створювати області всередині матеріалу з щільністю цих об’ємних дефектів у 1000 разів більшою, ніж у областях без візерунків. Цей рівень контролю є критично важливим, оскільки він дозволяє дослідникам налаштовувати властивості матеріалів у певних областях.
«Ці об’ємні дефекти цікаві тим, що вони поширюються по всьому матеріалу, але займають дуже малий об’єм», — пояснює Андре Мхоян, професор кафедри хімічної інженерії та матеріалознавства Університету Міннесоти та старший автор дослідження. «Ретельно контролюючи ці крихітні особливості, ми можемо використовувати властивості як самого дефекту, так і навколишнього матеріалу».
Техніка: Створення дефектів за шаблоном
Прорив команди полягає в новому підході до дизайну матеріалів. Вони виявили, що створюючи крихітні візерунки, що викликають дефекти, на поверхні перед вирощуванням тонкої плівки, вони можуть точно контролювати щільність і тип об’ємних дефектів.
«Ми знайшли новий спосіб проектування матеріалів, створюючи крихітні візерунки, що викликають дефекти, на підкладці перед вирощуванням тонкої плівки», — каже Супрія Гош, аспірантка лабораторії Мхояна та перший автор статті.
Ця техніка дозволяє створювати матеріали з кардинально різними властивостями в різних перетинах. Концентруючи дефекти по всій товщині матеріалу, дослідники можуть створювати нові плівки, де нанорозмірні візерунки в основному визначаються цими дефектами. Це може призвести до радикальних змін у поведінці матеріалу.
Більш широкі наслідки та майбутні застосування
Хоча початкові дослідження були зосереджені на оксидах перовскіту, класі матеріалів, які все частіше використовуються в сонячних батареях та інших додатках, дослідники вважають, що ця методика застосовна до різних типів тонких матеріалів. Потенційні вигоди значні. Це прокладає шлях для розробки електронних пристроїв, які використовують переваги унікальних властивостей, які забезпечують ці контрольовані дефекти.
У дослідженні взяли участь Джей Шах, Силу Гуо, Маянк Танвар, Донгван Кім, Сріджит Наір, Метью Неурок, Туран Бірол і Бхарат Джалан, усі з кафедри хімічної інженерії та матеріалознавства, а також Фенгден Лю з кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії.
По суті, це дослідження демонструє, що стратегічне впровадження недосконалостей може розблокувати абсолютно нові функціональні можливості наноматеріалів, відкриваючи шлях для нової ери дизайну матеріалів.
Цей інноваційний підхід до матеріалознавства має потенціал зробити революцію в нанотехнологіях, пропонуючи точний і універсальний метод для створення матеріалів із спеціальними властивостями в наномасштабі.
