來源：Beth Mundy, PNNL

沒有薄膜，就不會有現代電子産品或高質量的鏡子。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産品中的一層。它們在傳感、催化和能量存儲方面有應用。創建可以替代電池中的液體層或促進特定化學轉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産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塗目标。”他的團隊使用一種稱為分子束外延的技術，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量的結晶薄膜，并精确控制其成分和結構。

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。

“我們開發先進能源技術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和一台脈沖激光沉積儀。計劃增加另一台脈沖激光沉積儀器将擴大團隊創造更多不同實驗薄膜的能力。

薄膜的微小變化具有顯着影響

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确薄膜制造穩定的高性能催化劑。他們發現改變镧鎳鐵氧化物（LaNi1-xFexO3 或 LNFO）薄膜的成分會影響它們将水轉化為氧氣的能力。該反應對于清潔能源生産很重要。 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，用氧化镧鎳中的鐵代替部分鎳可以提高材料産生氧氣的能力。然而，這種增強活動的确切原因尚不清楚。

PNNL 研究團隊使用其高精度薄膜和儀器來解決這種不确定性。這項發表在 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确的證據和解釋。

PNNL 研究人員合成了一系列高質量的 LNFO 薄膜，從純氧化镧鎳到氧化镧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量的标準，所有标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構的微小但重要的變化。

微小的變化表明鐵在稱為電荷轉移的過程中将部分電子轉移到鎳上。電荷轉移使材料更容易将水轉化為氧氣。識别這種以前看不見的電荷轉移使研究人員深入了解為什麼 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構。然而，台式實驗對它們可以揭示的細節數量有限制。這個團隊的秘密武器是什麼？理論。

将理論和實驗相結合，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，研究人員想看看模拟 LNFO 中的原子是否表現出與他們在實驗室中觀察到的相同的微妙電荷轉移迹象。

“當我們得到 Peter [Sushko] 的計算結果并且它們與我們的實驗數據非常匹配時，這是令人興奮的一天，”Wang 說。 “這些結果确實驗證了我們關于 LNFO 中電荷轉移重要性的論點。”

展望薄膜的未來

這項研究将在 ESC 繼續進行，那裡的大窗戶将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将為 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，我們都期待着在同一棟大樓裡相聚。”

接下來？研究人員計劃在同一薄膜系統中用锶部分替代镧，從而産生一種具有四種不同金屬的氧化物。這将有助于團隊進一步了解複雜氧化膜結構和特性的變化。了解這些過程将指導新的合成工作，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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