來源：Beth Mundy, PNNL

沒有薄膜，就不會有現(xiàn)代電子產(chǎn)品或高質(zhì)量的鏡子。我們的手機和計算機中使用的半導體芯片依賴于由不同材料制成的薄膜，包括含有至少一種金屬和氧的金屬氧化物。

金屬氧化物薄膜不僅僅是電子產(chǎn)品中的一層。它們在傳感、催化和能量存儲方面有應用。創(chuàng)建可以替代電池中的液體層或促進特定化學轉(zhuǎn)化的薄膜需要在原子水平上了解材料。在美國太平洋西北國家實驗室 (PNNL)，研究人員正在研究如何設計可用于生產(chǎn)清潔能源的金屬氧化物薄膜。

PNNL 材料科學家兼實驗室研究員 Scott Chambers 說：“我喜歡把我們所做的事情想象成用原子噴涂目標。”他的團隊使用一種稱為分子束外延的技術(shù)，在固體晶體上逐個原子地沉積元素。這使研究人員能夠制造高質(zhì)量的結(jié)晶薄膜，并精確控制其成分和結(jié)構(gòu)。

例如，一些薄膜總是導電，而另一些則不導電。通過堆疊不同的薄膜，科學家可以改變它們對電流的反應方式。

“我們開發(fā)先進能源技術(shù)的能力取決于我們制造薄層材料的能力，”PNNL 的材料科學家 Peter Sushko 說。

制造高精度的極薄氧化膜需要先進的合成設備。該設備正在轉(zhuǎn)移到 PNNL 能源科學中心 (ESC) 的一個新的更大的實驗室。 Atomically Precise Materials 團隊目前使用兩套分子束外延系統(tǒng)和一臺脈沖激光沉積儀。計劃增加另一臺脈沖激光沉積儀器將擴大團隊創(chuàng)造更多不同實驗薄膜的能力。

薄膜的微小變化具有顯著影響

PNNL 材料科學家 Le Wang 領導了最近的一項研究，該研究利用原子級精確薄膜制造穩(wěn)定的高性能催化劑。他們發(fā)現(xiàn)改變鑭鎳鐵氧化物（LaNi1-xFexO3 或 LNFO）薄膜的成分會影響它們將水轉(zhuǎn)化為氧氣的能力。該反應對于清潔能源生產(chǎn)很重要。 LNFO 有可能減少或取代昂貴的貴金屬基催化劑。

先前的研究表明，用氧化鑭鎳中的鐵代替部分鎳可以提高材料產(chǎn)生氧氣的能力。然而，這種增強活動的確切原因尚不清楚。

PNNL 研究團隊使用其高精度薄膜和儀器來解決這種不確定性。這項發(fā)表在 Nano Letters 上的研究為鎳和鐵的混合為何能更有效地生成氧氣提供了明確的證據(jù)和解釋。

PNNL 研究人員合成了一系列高質(zhì)量的 LNFO 薄膜，從純氧化鑭鎳到氧化鑭鐵以及介于兩者之間的一系列成分。他們還制定了幾個高質(zhì)量的標準，所有標準都使用相同的設備進行測量，使研究人員能夠關注材料電子結(jié)構(gòu)的微小但重要的變化。

微小的變化表明鐵在稱為電荷轉(zhuǎn)移的過程中將部分電子轉(zhuǎn)移到鎳上。電荷轉(zhuǎn)移使材料更容易將水轉(zhuǎn)化為氧氣。識別這種以前看不見的電荷轉(zhuǎn)移使研究人員深入了解為什么 LNFO 可以充當更好的催化劑。

為原子尺度理解建模

該團隊在其研究中采用多管齊下的方法。他們在實驗室合成新材料并表征其結(jié)構(gòu)。然而，臺式實驗對它們可以揭示的細節(jié)數(shù)量有限制。這個團隊的秘密武器是什么？理論。

將理論和實驗相結(jié)合，可以更深入地了解氧化物薄膜。計算建模提供了對原子如何在薄膜表面上移動以及電子如何在小于原子直徑的尺度上重新排列的見解。在這個項目中，研究人員想看看模擬 LNFO 中的原子是否表現(xiàn)出與他們在實驗室中觀察到的相同的微妙電荷轉(zhuǎn)移跡象。

“當我們得到 Peter [Sushko] 的計算結(jié)果并且它們與我們的實驗數(shù)據(jù)非常匹配時，這是令人興奮的一天，”Wang 說。 “這些結(jié)果確實驗證了我們關于 LNFO 中電荷轉(zhuǎn)移重要性的論點。”

展望薄膜的未來

這項研究將在 ESC 繼續(xù)進行，那里的大窗戶將聚焦于一個新的高能見度實驗室空間。任何進入 ESC 大廳的人都可以看到研究人員制作新樣品。 Sushko 說：“我們很高興看到這一舉動將為 ESC 的參觀者提供了解我們科學的窗口。”“除了更大的實驗室和額外的儀器外，我們都期待著在同一棟大樓里相聚。”

接下來？研究人員計劃在同一薄膜系統(tǒng)中用鍶部分替代鑭，從而產(chǎn)生一種具有四種不同金屬的氧化物。這將有助于團隊進一步了解復雜氧化膜結(jié)構(gòu)和特性的變化。了解這些過程將指導新的合成工作，以設計更好的催化劑。

這項工作得到了美國能源部、科學辦公室、基礎能源科學計劃、材料科學與工程部的支持。

Nano Letters 論文的研究團隊包括 PNNL 的 Steven Spurgeon、Bethany Matthews、Mark Bowden、Tiffany Kaspar、Han Wang、Linda Wangoh、Tamas Varga、Theva Thevuthasan 和 Yingge Du，以及一組國際合作者。

文章發(fā)布時間：2021 年 10 月 11 日

原文連接：https://www.pnnl.gov/news-media/controlling-thin-films-atomic-spray-painting

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