Sin películas delgadas, no habría electrónica moderna ni espejos de alta calidad. Los chips semiconductores utilizados en nuestros teléfonos móviles y computadoras se basan en películas delgadas hechas de diferentes materiales, incluidos los óxidos metálicos que contienen al menos un metal además de oxígeno.

Las películas delgadas de óxido de metal sirven como algo más que una capa dentro de la electrónica. Tienen aplicaciones en la detección, catálisis, y almacenamiento de energía. Crear películas delgadas que puedan reemplazar la capa líquida en las baterías o promover transformaciones químicas específicas requiere comprender los materiales a nivel atómico. En el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), Los investigadores están estudiando cómo diseñar películas delgadas de óxido metálico que puedan aprovecharse para producir energía limpia.

"Me gusta pensar en lo que hacemos como pintar con aerosol un objetivo con átomos, ", dijo el científico de materiales de PNNL y compañero de laboratorio Scott Chambers. Su equipo utiliza una técnica, llamada epitaxia de haz molecular, para depositar elementos átomo por átomo sobre un cristal sólido. Esto permite a los investigadores hacer de alta calidad, películas delgadas cristalinas con control preciso sobre su composición y estructura.

Por ejemplo, algunas películas delgadas siempre conducen electricidad y otras no. Al apilar diferentes películas, los científicos pueden cambiar la forma en que responden a una corriente eléctrica.

"Nuestra capacidad para desarrollar tecnologías energéticas avanzadas depende de qué tan bien podamos fabricar capas delgadas de materiales, "dijo Peter Sushko, científico de materiales en PNNL.

La fabricación de películas de óxido extremadamente delgadas con alta precisión requiere un equipo de síntesis avanzado. Este equipo se está trasladando a un laboratorio nuevo y más grande en el Centro de Ciencias de la Energía (ESC) de PNNL. El equipo de Materiales Atómicamente Precisos utiliza actualmente dos sistemas de epitaxia de haz molecular y un instrumento de deposición láser pulsado. La adición prevista de otro instrumento de deposición láser pulsado ampliará la capacidad del equipo para crear más películas delgadas experimentales diferentes.

Los pequeños cambios en las películas delgadas tienen un impacto significativo

Le Wang, un científico de materiales de PNNL, dirigió un estudio reciente que aprovechó películas delgadas atómicamente precisas para producir catalizadores estables de alto rendimiento. Descubrieron que al variar la composición del óxido de hierro y níquel lantano (LaNi _1-x Fe _X O ₃ o LNFO) las películas delgadas afectan su capacidad para convertir el agua en oxígeno. Esta reacción es importante para la producción de energía limpia. LNFO tiene el potencial de reducir la necesidad o reemplazar los costosos catalizadores basados ​​en metales preciosos.

Investigaciones anteriores demostraron que reemplazar parte del níquel con hierro en el óxido de níquel lantano aumenta la capacidad del material para generar oxígeno. Sin embargo, la razón exacta de esta actividad mejorada no estaba clara.

El equipo de investigación de PNNL utilizó sus películas e instrumentación de alta precisión para abordar esta incertidumbre. La obra, publicado en Nano letras , proporciona una clara evidencia y explicaciones de por qué la mezcla de níquel y hierro conduce a una formación de oxígeno más eficiente.

Los investigadores de PNNL sintetizaron una serie de películas delgadas de LNFO de alta calidad, desde óxido de níquel lantano puro hasta óxido de hierro lantano y una variedad de composiciones intermedias. También hicieron varios estándares de alta calidad, todos medidos con el mismo equipo, que permitió a los investigadores concentrarse en lo pequeño, pero consecuente, cambios en la estructura electrónica de los materiales.

Los pequeños cambios mostraron que el hierro transfirió algunos de sus electrones al níquel en un proceso conocido como transferencia de carga. La transferencia de carga facilita que el material convierta el agua en oxígeno. La identificación de esta transferencia de carga nunca antes vista les dio a los investigadores una idea de por qué LNFO actúa como un mejor catalizador.

Modelado para la comprensión a escala atómica

El equipo utiliza un enfoque múltiple en su investigación. Sintetizan nuevos materiales y caracterizan su estructura en el laboratorio. Sin embargo, Los experimentos de laboratorio tienen límites en cuanto a la cantidad de detalles que pueden revelar. ¿El arma no tan secreta del equipo? Teoría.

La combinación de la teoría y los experimentos genera conocimientos más profundos sobre las películas delgadas de óxido. El modelado computacional proporciona información sobre cómo se mueven los átomos en la superficie de la película y cómo los electrones se reorganizan a escalas más pequeñas que el diámetro de un átomo. En este proyecto, los investigadores querían ver si los átomos en el LNFO simulado mostraban los mismos signos sutiles de transferencia de carga que observaron en el laboratorio.

"Fue un día emocionante cuando recuperamos los cálculos de Peter [Sushko] y coincidieron muy bien con nuestros datos experimentales, ", dijo Wang." Esos resultados realmente validaron nuestro argumento sobre la importancia de la transferencia de carga en LNFO ".

Mirando hacia el futuro de las películas delgadas

Esta investigación continuará en la ESC, donde las grandes ventanas destacarán un nuevo espacio de laboratorio de alta visibilidad. Cualquiera que entre en el lobby de la ESC podrá ver a los investigadores haciendo nuevas muestras. "Estamos entusiasmados con la ventana a nuestra ciencia que la medida brindará a los visitantes del ESC, ", dijo Sushko." Además del laboratorio más grande y la instrumentación adicional, todos esperamos estar juntos en el mismo edificio ".

¿Hasta la próxima? Los investigadores planean reemplazar parcialmente lantano con estroncio en el mismo sistema de película, creando un óxido con cuatro metales diferentes. Esto ayudará al equipo a comprender mejor los cambios en las estructuras y propiedades de las películas complejas de óxido. Comprender estos procesos guiará nuevos esfuerzos de síntesis para diseñar catalizadores aún mejores.