Un equipo dirigido por la Universidad de Minnesota Twin Cities ha desarrollado un método innovador único en su tipo que facilita la creación de películas delgadas de óxido metálico de alta calidad a partir de metales « obstinados » que históricamente han sido difíciles de sintetizar en un manera atómicamente precisa. Esta investigación allana el camino para que los científicos desarrollen mejores materiales para varias aplicaciones de próxima generación, incluida la computación cuántica, la microelectrónica, los sensores y la catálisis de energía.

El artículo de los investigadores se publica en Nature Nanotechnology, una revista científica revisada por pares dirigida por Nature Publishing Group.

« Este es un descubrimiento verdaderamente notable, ya que revela una forma simple e incomparable de navegar la síntesis de materiales a escala atómica aprovechando el poder de la tensión epitaxial », dijo Bharat Jalan, autor principal del artículo y profesor y presidente de Shell en la Universidad. del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de Minnesota. « Este avance representa un avance significativo con implicaciones de gran alcance en una amplia gama de campos. No solo proporciona un medio para lograr una síntesis atómicamente precisa de materiales cuánticos, sino que también tiene un inmenso potencial para controlar las vías de oxidación-reducción en varios aplicaciones, incluyendo catálisis y reacciones químicas que ocurren en baterías o celdas de combustible ».

Los óxidos de metales « obstinados », como los basados ​​en rutenio o iridio, desempeñan un papel crucial en numerosas aplicaciones en las ciencias de la información cuántica y la electrónica. Sin embargo, convertirlos en películas delgadas ha sido un desafío para los investigadores debido a las dificultades inherentes a la oxidación de metales mediante procesos de alto vacío.

La fabricación de estos materiales ha dejado perplejos a los científicos de materiales durante décadas. Si bien algunos investigadores han logrado la oxidación con éxito, los métodos utilizados hasta ahora han sido costosos, inseguros o han resultado en una mala calidad del material.

¿La solución de los investigadores de la Universidad de Minnesota? Dale un empujón.

Mientras intentaban sintetizar óxidos metálicos utilizando epitaxia de haz molecular convencional, una técnica de baja energía que genera capas individuales de material en una cámara de ultra alto vacío, los investigadores se toparon con una revelación revolucionaria. Descubrieron que la incorporación de un concepto llamado « deformación epitaxial » (estiramiento efectivo de los metales a nivel atómico) simplifica significativamente el proceso de oxidación de estos metales rebeldes.

« Esto permite la creación de óxidos metálicos tecnológicamente importantes a partir de metales rebeldes en atmósferas de ultra alto vacío, que ha sido un problema de larga data », dijo Sreejith Nair, primer autor del artículo y Ph.D. en ingeniería química de la Universidad de Minnesota. alumno. « Los enfoques de síntesis actuales tienen límites, y necesitamos encontrar nuevas formas de empujar esos límites aún más para que podamos hacer materiales de mejor calidad. Nuestro nuevo método de estirar el material a escala atómica es una forma de mejorar el rendimiento de los actuales tecnología. »

Aunque el equipo de la Universidad de Minnesota usó iridio y rutenio como ejemplos en este documento, su método tiene el potencial de generar óxidos atómicamente precisos de cualquier metal difícil de oxidar. Con este descubrimiento innovador, los investigadores pretenden capacitar a los científicos de todo el mundo para sintetizar estos materiales novedosos.

Los investigadores trabajaron en estrecha colaboración con colaboradores de la Universidad de Auburn, la Universidad de Delaware, el Laboratorio Nacional de Brookhaven, el Laboratorio Nacional de Argonne y el laboratorio del profesor Andre Mkhoyan del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Minnesota para verificar su método.

« Cuando observamos estas películas de óxido de metal muy de cerca utilizando microscopios electrónicos muy potentes, capturamos la disposición de los átomos y determinamos sus tipos », explicó Mkhoyan. « Efectivamente, se organizaron agradable y periódicamente como deberían estar en estas películas cristalinas ».

Esta investigación fue financiada principalmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR) y el Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Universidad de Minnesota (MRSEC).

Además de Jalan, Nair y Mkhoyan, el equipo de investigación incluyó a los investigadores de Twin Cities de la Universidad de Minnesota Zhifei Yang, Dooyong Lee y Silu Guo; el investigador del Laboratorio Nacional de Brookhaven, Jerzy Sadowski; los investigadores de la Universidad de Auburn Spencer Johnson, Ryan Comes y Wencan Jin; los investigadores de la Universidad de Delaware Abdul Saboor y Anderson Janotti; y los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne, Yan Li y Hua Zhou. Partes del trabajo se llevaron a cabo en el Centro de Caracterización de la Universidad de Minnesota.