Эта новая стратегия дает более быструю обратную связь на том, какие схемы роста лучше всего, таким образом сокращают период, чтобы произвести новый, стабильный материал для энергетического транспорта и приложений преобразования.Недавняя статья по своей природе Мэтериэлс описывает, как исследователи использовали рентген, рассеивающийся во время процесса, названного молекулярной эпитаксией луча (MBE), чтобы наблюдать поведение атомов как тип материала, известного, поскольку выложенные слоями окиси формировались. Эти наблюдения тогда использовались в качестве данных для вычислительных предсказаний новых материалов, приводя к пониманию о том, как лучше всего объединить атомы, чтобы сформировать новые, стабильные структуры.«MBE – строительство новых материалов, один слой за один раз – и каждый слой – гуща с одним атомом.
Мы использовали новый тип системы MBE, чтобы наблюдать то, что происходит во время роста окисных тонких пленок. Мы нашли, что слои спонтанно перестраивают, чтобы достигнуть более низкой энергии, предпочтенной конфигурации – но не обязательно конфигурации, которую мы предназначили», сказал Джон Фрилэнд, физик Аргонна, который возглавил команду. «Большинство ученых не ожидало бы, что слои переместятся как это, но это – важная информация, чтобы знать, проектируя новые материалы».
В экспериментировании с классом окисей, известных как титанаты стронция, исследовательская группа нашла, что, когда они выложили слоями титан сверху двух слоев Стронция, слой титана переключил места со вторым слоем стронция, таким образом став слоем центра. Когда титан был выложен слоями на многократных слоях стронция, титан всегда переключал места со слоем стронция непосредственно под ним.Химик Аргонна Джун Хюк Ли ведет экспериментальное развитие окисной MBE на месте, и Гуанфу Ло из Висконсинского университета в Мадисоне развивал теоретический подход к распутыванию энергетики, которая стимулирует перестановки слоя.Исследовательская группа включала экспертные знания от Advanced Photon Source (APS) Аргонна, Центра Наноразмерных Материалов (CNM), Химических Наук и Разработки, и Материаловедения, и партнеров из Северо-Западного университета, Университета-Коннектикута-Сторрза и Висконсинского университета в Мадисоне, который хотел понять движущую силу перестановок.
Используя плотность функциональную теорию (DFT) и вычислительные ресурсы в CNM, они вычислили и сравнили энергии различных последовательностей слоя, используя данные, собранные от системы MBE. Они нашли, что фактические последовательности слоя соответствовали самой низкой энергетической конфигурации.
Их вычисления также показали, что обмен слоя не был уникален для стронция и титана; на самом деле это ожидалось для многих различных систем материалов. С этим пониманием ученые могут управлять – на атомном уровне – рост окисных тонких пленок.«Что мы имеем, вот новая стратегия дизайна материалов и синтеза», сказали материаловед Аргонна и соавтор статьи Диллон Фонг. «Наша комбинация рентгена на месте, рассеивающегося с вычислительной теорией, может быть расширена на другие слоистые материалы и структуры, даже теоретические, которые еще не были сделаны, потому что они сложны, чтобы произвести».
Эта новая стратегия дает более быструю обратную связь на том, какие стратегии роста лучше всего, таким образом сокращают период к фактическому изготовлению нового, стабильного материала.В будущем Аргонн хочет сделать окисную MBE инструментом доступный пользователям средства APS для науки синтеза. «APS способствовал созданию наших возможных результатов», объяснил Фрилэнд. «Рентген дал нам количественную информацию, мы должны были включить теоретическую структуру, которая в свою очередь позволит нам – и другим пользователям APS – делать новые материалы более эффективно».Фильмы были выращены в палате рентгена на месте в Секторе 33ID-E APS.
Вычисления были выполнены на Группе Сплава Лаборатории Аргонна, Вычисляющей Информационный центр при Национальном энергетическом Исследовании Научный Вычислительный центр (NERSC) и на Углеродной Группе Аргонна.