Прогнозирование нитрида титана оказалось непотопляемым: синтезирована долгожданная форма кубического полупроводникового нитрида титана.

Стандартный нитрид титана (TiN) с соотношением титана и азота один к одному имеет кристаллическую структуру, напоминающую структуру поваренной соли — хлорида натрия или NaCl. Это металл с абразивными свойствами, поэтому он используется для покрытий инструментов и изготовления электродов.

Нитрид титана с соотношением титана и азота три к четырем, называемый нитридом титана, остается неуловимым, несмотря на предыдущие теоретические предсказания его существования и тот факт, что нитриды с таким соотношением были идентифицированы для других членов группы титана на таблица периода, включая цирконий.Команда Штробеля и Бхадрама — Ханью Лю из Карнеги и Ростислав Хрубяк, а также Витали Б. Пракапенко из Чикагского университета, Эньши Сю и Тяньшу Ли из Университета Джорджа Вашингтона и Стефан Лани из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии — провели вызов. Их работа опубликована и отмечена как предложение редактора в Physical Review Materials.Они создали Ti3N4 в кубической кристаллической фазе с помощью нагреваемой лазером ячейки с алмазной наковальней, давление в которой было доведено примерно до 740 000 раз выше нормального атмосферного давления (74 гигапаскалей) и около 2200 градусов Цельсия (2500 кельвинов).

Усовершенствованные рентгеновские и спектроскопические инструменты подтвердили кристаллическую структуру, созданную командой в этих условиях, а расчеты на основе теоретических моделей позволили им предсказать термодинамическую природу и физические свойства Ti3N4.TiN, похожий на столовую соль, является металлическим, что означает, что он может проводить поток электронов, который составляет ток.

Но кубический Ti3N4 — это полупроводник, а это означает, что он может включать и выключать электрическую проводимость. Эта возможность чрезвычайно полезна в электронных устройствах. Полупроводники на основе титана особенно популярны в качестве катализаторов реакций расщепления воды на солнечной энергии с целью получения водорода, чистого возобновляемого источника энергии.Эта способность включать и выключать проводимость возможна, потому что некоторые электроны полупроводника могут переходить из изолирующих состояний с более низкой энергией в состояния проводимости с более высокой энергией при воздействии энергии.

Энергия, необходимая для инициирования этого скачка, называется запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны для кубического Ti3N4 больше, чем ожидалось на основе предсказаний предыдущей модели. Кроме того, как и металлический TiN, ожидается, что Ti3N4 будет демонстрировать отличные механические свойства и износостойкость.

«Насколько нам известно, это первый экспериментальный отчет о полупроводниковом нитриде титана», — сказал ведущий автор Бхадрам. «Мы считаем, что эта работа будет стимулировать дальнейшие экспериментальные и теоретические усилия по разработке новых способов увеличения масштаба синтеза Ti3N4 при атмосферном давлении».Эта работа была поддержана центром Energy Frontier Research in Extreme Environment (EFree) Center, Исследовательским центром Energy Frontier Research Center (EFRC), финансируемым Управлением науки Министерства энергетики США.

Части этой работы были выполнены в GeoSoilEnviroCARS и HPCAT, Advanced Photon Source, Аргоннская национальная лаборатория. GeoSoilEnviroCARS поддерживается Национальным научным фондом наук о Земле и Департаментом энергетики и геонаук.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *