Эта новая стратегия дает более быструю обратную связь о том, какие схемы роста являются лучшими, тем самым сокращая временные рамки для производства нового, стабильного материала для приложений передачи и преобразования энергии.В недавней статье в Nature Materials описывается, как исследователи использовали рассеяние рентгеновских лучей во время процесса, называемого молекулярно-лучевой эпитаксией (МБЭ), для наблюдения за поведением атомов при формировании материала, известного как слоистые оксиды. Эти наблюдения затем использовались в качестве данных для компьютерных предсказаний новых материалов, что привело к пониманию того, как лучше всего объединить атомы для образования новых стабильных структур.«МЛЭ — это создание новых материалов по одному слою за раз, причем каждый слой имеет толщину в один атом.
Мы использовали новый тип системы МЛЭ, чтобы наблюдать, что происходит во время роста тонких оксидных пленок. Мы обнаружили, что слои спонтанно перестроить, чтобы получить более низкую энергию, предпочтительную конфигурацию — но не обязательно конфигурацию, которую мы планировали », — сказал Джон Фриланд, физик из Аргонны, возглавлявший группу. «Большинство ученых не ожидают, что слои будут перемещаться таким образом, но это важная информация, которую нужно знать при разработке новых материалов».
Экспериментируя с классом оксидов, известных как титанаты стронция, исследовательская группа обнаружила, что, когда они накладывали титан поверх двух слоев стронция, слой титана менялся местами со вторым слоем стронция, становясь, таким образом, центральным слоем. Когда титан был нанесен на несколько слоев стронция, титан всегда менялся местами со слоем стронция непосредственно под ним.Аргоннский химик Джун Хёк Ли руководил экспериментальной разработкой оксидного МБЭ in situ, а Гуанфу Луо из Университета Висконсин-Мэдисон разработал теоретический подход к раскрытию энергетических факторов, управляющих перестройкой слоев.В состав исследовательской группы входили специалисты из Аргоннского усовершенствованного источника фотонов (APS), Центра наноразмерных материалов (CNM), химических наук и инженерии, а также материаловедения, а также партнеров из Северо-Западного университета, Университета Коннектикут-Сторрс и Университета Висконсин-Мэдисон. , которые хотели понять движущую силу перестановок.
Используя теорию функционала плотности (DFT) и вычислительные ресурсы CNM, они рассчитали и сравнили энергии различных последовательностей слоев, используя данные, собранные из системы MBE. Они обнаружили, что фактическая последовательность слоев соответствует конфигурации с наименьшей энергией.
Их расчеты также показали, что обмен слоями не был уникальным для стронция и титана; Фактически, это ожидалось для многих систем различных материалов. С таким пониманием ученые могут контролировать — на атомарном уровне — рост оксидных тонких пленок.«Перед нами новая стратегия конструирования и синтеза материалов», — сказал аргонский материаловед и соавтор статьи Диллон Фонг. «Нашу комбинацию рассеяния рентгеновских лучей на месте с вычислительной теорией можно распространить на другие слоистые материалы и структуры, даже теоретические, которые еще не созданы, потому что их сложно производить».
Эта новая стратегия дает более быструю обратную связь о том, какие стратегии роста являются лучшими, тем самым сокращая сроки фактического производства нового стабильного материала.В будущем Argonne хочет сделать оксидный MBE инструментом, доступным пользователям установок APS для науки о синтезе. «APS сыграл важную роль в том, чтобы сделать наши выводы возможными», — пояснил Фриланд. «Рентгеновские лучи дали нам количественную информацию, необходимую для включения в теоретическую основу, которая, в свою очередь, позволит нам — и другим пользователям APS — создавать новые материалы более эффективно».
Пленки выращивались в рентгеновской камере in situ в секторе 33ID-E АЭС. Расчеты проводились на кластере термоядерного синтеза Лабораторного вычислительного ресурсного центра Аргонна в Национальном научном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) и на кластере углерода Аргонны.