Una ilustración de cómo se puede sintetizar nitruro de titanio cúbico con una proporción de tres a cuatro bajo presiones y temperaturas extremas en una celda de yunque de diamante calentada con láser. Crédito:Venkata Bhadram.
Un equipo de científicos experimentales y computacionales liderados por Tim Strobel y Venkata Bhadram de Carnegie han sintetizado una forma muy buscada de nitruro de titanio, Ti 3 norte 4 , que tiene propiedades mecánicas y optoelectrónicas prometedoras.
Nitruro de titanio estándar (TiN), con una proporción de uno a uno de titanio y nitrógeno, exhibe una estructura cristalina que se asemeja a la de la sal de mesa:cloruro de sodio, o NaCl. Es un metal con propiedades abrasivas y, por tanto, se utiliza para revestimientos de herramientas y fabricación de electrodos. Nitruro de titanio con una proporción de tres a cuatro de titanio y nitrógeno, llamado nitruro titánico, ha permanecido esquivo, a pesar de las predicciones teóricas previas de su existencia y del hecho de que se han identificado nitruros con esta relación para los otros miembros del grupo del titanio en la tabla de períodos, incluido el circonio.
El equipo de Strobel y Bhadram:Hanyu Liu de Carnegie, y Rostislav Hrubiak, así como Vitali B. Prakapenka de la Universidad de Chicago, Enshi Xu y Tianshu Li de la Universidad George Washington, y Stephan Lany, del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, asumieron el desafío. Su trabajo se publica y destaca como sugerencia del editor en Materiales de revisión física .
Ellos crearon Ti 3 norte 4 en una fase cristalina cúbica utilizando una celda de yunque de diamante calentada con láser, que se llevó a aproximadamente 740, 000 veces la presión atmosférica normal (74 gigapascales) y alrededor de 2, 200 grados Celsius (2, 500 kelvin). Las herramientas avanzadas de rayos X y espectroscópicos confirmaron la estructura cristalina que el equipo había creado en estas condiciones. y los cálculos basados en modelos teóricos les permitieron predecir la naturaleza termodinámica y las propiedades físicas del Ti 3 norte 4 .
El TiN similar a la sal de mesa es metálico, lo que significa que puede conducir un flujo de electrones que forma una corriente. Pero Ti cúbico 3 norte 4 es un semiconductor, lo que significa que puede tener su conductividad eléctrica encendida y apagada. Esta posibilidad es tremendamente útil en dispositivos electrónicos. Los semiconductores a base de titanio son particularmente populares como catalizadores para reacciones solares de división del agua para producir hidrógeno. una fuente limpia de energía renovable.
Esta capacidad para activar y desactivar la conductividad es posible porque algunos de los electrones de un semiconductor pueden pasar de estados de aislamiento de menor energía a estados de conducción de mayor energía cuando se someten a una entrada de energía. La energía requerida para iniciar este salto se llama banda prohibida. La banda prohibida para el Ti3N4 cúbico es mayor de lo esperado según las predicciones del modelo anterior. Es más, como TiN metálico, Ti 3 norte 4 Se espera que exhiba excelentes propiedades mecánicas y de resistencia al desgaste.
"Hasta donde sabemos, este es el primer informe experimental sobre nitruro de titanio semiconductor", dijo el autor principal Bhadram. "Creemos que este trabajo estimulará más esfuerzos experimentales y teóricos para diseñar nuevas formas de escalar la síntesis de Ti 3 norte 4 a presión ambiente ".
