Un esquema que muestra el SSID de película delgada para el sistema Fe-Ni / Mg. Las películas delgadas de Mg y Fe-Ni se colocan en capas sobre un sustrato de Si. Tras la exposición al calor, el Mg desalea el Fe-Ni para formar un compuesto de Mg-Ni y Fe puro con una estructura tridimensional bicontinua. Crédito: Materiales Horizontes
Los científicos han desarrollado un nuevo enfoque para fabricar compuestos metal-metal y metales porosos con una estructura "bicontinua" interconectada en 3-D en películas delgadas en escalas de tamaño que van desde decenas de nanómetros a micrones. Los materiales metálicos con esta morfología similar a una esponja, caracterizados por dos fases coexistentes que forman redes interpenetrantes que continúan en el espacio, podrían ser útiles en la catálisis. generación y almacenamiento de energía, y detección biomédica. Denominado desbloqueo interfacial de estado sólido de película delgada (SSID), el enfoque utiliza calor para impulsar un proceso autoorganizado en el que los metales se mezclan o desmezclan para formar una nueva estructura. Los científicos utilizaron múltiples técnicas basadas en electrones y rayos X ("análisis multimodal") para visualizar y caracterizar la formación de la estructura bicontinua.
"El calentamiento proporciona a los metales algo de energía para que puedan interdifundirse y formar una estructura termodinámicamente estable autoportante, "explicó Karen Chen-Wiegart, profesor asistente en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad de Stony Brook (SBU), donde dirige el Grupo de Investigación Chen-Wiegart, y científico de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. "El SSID se ha demostrado previamente en muestras a granel (decenas de micrones y más gruesas), pero da como resultado un gradiente de tamaño, con una estructura más grande en un lado de la muestra y una estructura más pequeña en el otro lado. Aquí, por primera vez, demostramos con éxito SSID en un procesamiento de película delgada totalmente integrado, resultando en una distribución de tamaño homogénea en toda la muestra. Esta homogeneidad es necesaria para crear nanoestructuras funcionales ".
Chen-Wiegart es el autor correspondiente de un artículo publicado en línea en Materiales Horizontes que aparece en la portada del número de la revista en línea del 18 de noviembre. Las otras instituciones colaboradoras son el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del DOE en Brookhaven Lab, y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).
Para demostrar su proceso, los científicos prepararon películas delgadas de aleación de magnesio (Mg) y hierro (Fe) y níquel (Ni) sobre sustratos de obleas de silicio (Si) en la instalación de nanofabricación de CFN. Calentaron las muestras a alta temperatura (860 grados Fahrenheit) durante 30 minutos y luego las enfriaron rápidamente a temperatura ambiente.
La portada de la edición en línea del 18 de noviembre de Materiales Horizontes ilustra el multimodal, Caracterización multiescala de películas delgadas bicontinuas formadas por desalloación interfacial de estado sólido de película delgada (SSID). Muestra una luz que brilla sobre las películas, y las señales resultantes se detectan mediante diversas técnicas de rayos X y basadas en electrones. Crédito: Materiales Horizontes
"Descubrimos que el Mg se difunde en la capa de Fe-Ni, donde se combina solo con Ni, mientras que Fe se separa de Ni, "dijo el primer autor Chonghang Zhao, un doctorado estudiante del Grupo de Investigación Chen-Wiegart. "Esta separación de fases se basa en la entalpía, una medida de energía que determina si los materiales se mezclan "felizmente" o no, dependiendo de propiedades tales como su estructura cristalina y configuraciones de unión. El nanocompuesto se puede tratar adicionalmente para generar una estructura nanoporosa mediante la eliminación química de una de las fases ".
Las estructuras nanoporosas tienen muchas aplicaciones, incluida la fotocatálisis. Por ejemplo, estas estructuras podrían usarse para acelerar la reacción en la que el agua se divide en oxígeno e hidrógeno, un combustible de combustión limpia. Debido a que las reacciones catalíticas ocurren en las superficies de los materiales, la gran superficie de los poros mejoraría la eficacia de la reacción. Además, porque los "ligamentos" nanométricos están intrínsecamente interconectados, no necesitan ningún apoyo para mantenerlos unidos. Estas conexiones podrían proporcionar vías conductoras de electricidad.
El equipo identificó la estructura bicontinua desalentada de Fe y Ni-Mg a través de técnicas de microscopía electrónica complementarias en CFN y técnicas de sincrotrón de rayos X en dos líneas de luz NSLS-II:la Nanoprobe de rayos X duros (HXN) y la línea de luz para medición de materiales (BMM). ).
"Usando el modo de escaneo en un microscopio electrónico de transmisión (TEM), rastrillamos el haz de electrones sobre la muestra en ubicaciones específicas para generar mapas elementales 2-D que muestran la distribución espacial de los elementos, "explicó Kim Kisslinger, un técnico asociado en el grupo de investigación de microscopía electrónica CFN y el punto de contacto para el instrumento.
Los científicos utilizaron un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) para estudiar la estructura y composición de las películas de Fe-Ni desprendidas por una película de Mg. En particular, combinaron imágenes de campo oscuro anular de ángulo alto (HAADF) con espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS). Las imágenes HAADF son sensibles al número atómico de elementos de la muestra. Los elementos con un número atómico más alto dispersan más electrones, haciendo que parezcan más brillantes en la imagen en escala de grises resultante. Para los mapas EDS, los diferentes colores corresponden a elementos individuales y la intensidad del color a su concentración relativa local. El análisis STEM reveló la formación de dos fases:Fe puro (magenta) y un compuesto de Ni-Mg (amarillo-violeta). Crédito: Materiales Horizontes
El equipo también utilizó TEM para obtener patrones de difracción de electrones que capturan la estructura cristalina y un microscopio electrónico de barrido (SEM) para estudiar la morfología de la superficie.
Este análisis inicial proporcionó evidencia de la formación de una estructura bicontinua localmente en 2-D a alta resolución. Para confirmar aún más que la estructura bicontinua era representativa de toda la muestra, el equipo se dirigió a la línea de luz HXN, que puede proporcionar información 3-D en una región mucho más grande.
"Con HXN, podemos concentrarnos mucho, o de alta energía, rayos X a un punto muy diminuto de unos 12 nanómetros, "Dijo el coautor y físico de HXN Xiaojing Huang." La resolución espacial líder mundial de microscopía de rayos X duros en HXN es suficiente para ver las estructuras más pequeñas de la muestra, que varían en tamaño de 20 a 30 nanómetros. Aunque TEM proporciona una resolución más alta, el campo de visión es limitado. Con el microscopio de rayos X, pudimos observar las distribuciones de los elementos 3-D dentro de un área más grande para poder confirmar la homogeneidad ".
Las mediciones en HXN se realizaron de manera multimodal, con la colección simultánea de señales de dispersión de rayos X que revelan la estructura 3-D y señales de fluorescencia que son sensibles a los elementos. Los átomos emiten fluorescencia cuando vuelven a su estado de energía más baja (base) después de haber sido excitados a un estado inestable de energía más alta en respuesta a la energía de los rayos X. Al detectar esta fluorescencia característica, los científicos pueden determinar el tipo y la abundancia relativa de elementos presentes en lugares específicos.
El coautor y físico del NIST Synchrotron Science Group Bruce Ravel confirmó la composición química de la muestra y obtuvo las formas químicas precisas (estados de oxidación) de los elementos en BMM. que es financiado y operado por NIST. Los espectros de la estructura cercana al borde de absorción de rayos X (XANES) también mostraron la presencia de Fe puro.
Ahora que los científicos han demostrado que SSID funciona en películas delgadas, su siguiente paso es abordar los eventos "parásitos" que identificaron en el curso de este estudio. Por ejemplo, descubrieron que el Ni se difunde en el sustrato de Si, conduciendo a vacíos, una especie de defecto estructural. También harán estructuras de poros a partir de compuestos metal-metal para demostrar aplicaciones como la fotocatálisis, y aplicar su enfoque a otros sistemas metálicos, incluidos los de titanio.
