Màng oxit mỏng để phát triển vật liệu mô hình cho chất bán dẫn, cảm biến và pin

Màng oxit mỏng để phát triển vật liệu mô hình cho chất bán dẫn, cảm biến và pin

    Màng oxit mỏng để phát triển vật liệu mô hình cho chất bán dẫn, cảm biến và pin

    Answering big questions with thin oxide films

    Các màng oxit mỏng được trồng ở Trung tâm Khoa học Năng lượng cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu các quá trình phức tạp trong các hệ thống được kiểm soát. Ảnh: Eddie Pablo, Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

    Một trong những điểm tham quan đầu tiên chào đón du khách đến Trung tâm Khoa học Năng lượng của Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL's) là cửa sổ dẫn vào không gian phòng thí nghiệm bận rộn. Với đầy đủ thiết bị và các nhà nghiên cứu đang thực hiện công việc của họ, phòng thí nghiệm tăng trưởng phim nhìn ra tiền sảnh. Nó chứa một nhóm tạo ra các màng cực mỏng và chính xác bằng các vật liệu khác nhau.

    Vào bất kỳ ngày nào, các nhà nghiên cứu bao gồm Yingge Du và Tiffany Kaspar có thể đang phát triển vật liệu cho pin, chất xúc tác quang, thiết bị điện tử hoặc lò phản ứng hạt nhân thế hệ tiếp theo. Du cho biết: "Công việc của chúng tôi tập trung vào việc tìm hiểu màng oxit mỏng ở cấp độ nguyên tử". "Kiến thức này cho phép chúng tôi tìm hiểu lý do tại sao các vật liệu hoạt động theo những cách nhất định mà chúng tôi có thể sử dụng để tạo ra các vật liệu mới với các đặc tính cụ thể. Ví dụ: đặt một vài nguyên tử oxy bên dưới bề mặt của chất bán dẫn, chẳng hạn như silicon, sẽ thay đổi cách các electron di chuyển trong oxit phức hợp lắng đọng trên đầu."

    Màng oxit mỏng được sử dụng trong các ứng dụng đa dạng như chip bán dẫn cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử để cung cấp năng lượng cho tế bào giúp lưu trữ năng lượng. Những vật liệu đặc biệt này cải thiện cuộc sống của chúng ta theo nhiều cách. Nhưng làm cho chúng có thể là một công việc khó khăn.

    Được thành lập bởi Scott Chambers, thành viên của Phòng thí nghiệm PNNL, nhóm màng mỏng sử dụng các kỹ thuật tăng trưởng chính xác để lắng đọng các nguyên tố được chọn lên trên tinh thể mục tiêu, từng nguyên tử một. Mức độ kiểm soát này cho phép họ phát triển các hệ thống mô hình giúp đơn giản hóa các thực tế phức tạp, giúp các nhà nghiên cứu hiểu được các đặc tính cơ bản của vật liệu. Nhóm đã phát hiện ra các nguồn dẫn điện không mong muốn trong oxit, chỉ ra cách các giao diện có thể kiểm soát hành vi của vật liệu và sử dụng kiểm soát cấu trúc để tạo ra các vật liệu không ổn định trước đây.

    Họ cũng phát triển các bộ phim có các thuộc tính cụ thể và hữu ích. Cách tiếp cận của họ bao gồm từ sửa đổi vật liệu để thay đổi cách chúng tương tác với điện đến điều chỉnh bề mặt vật liệu để tạo ra nhiên liệu tái tạo hiệu quả hơn. Nhóm quản lý nhiều loại dự án tập trung vào các vật liệu chức năng này. Chuyên môn của họ trong việc kiểm soát phim cho phép họ tạo ra phim mới để sử dụng trong các phản ứng chuyển đổi năng lượng, bao gồm chuyển đổi nước thành hydro và oxy cũng như các thiết bị lưu trữ năng lượng, với công việc khám phá cách chuyển động của các ion ảnh hưởng đến vật liệu pin.

    Kaspar cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi bao gồm rất nhiều khía cạnh khác nhau của vật liệu oxit. "Chúng tôi có thể khám phá các đặc tính ở quy mô nguyên tử vào một ngày nào đó và tạo phim cho một ứng dụng cụ thể vào ngày hôm sau. Thật thú vị khi được làm việc rộng rãi với những vật liệu này."

    Phòng thí nghiệm PNNL chứa các thiết bị đặc biệt, được tùy chỉnh để cung cấp cho các nhà nghiên cứu khả năng kiểm soát tinh tế đối với phim của họ. Nhóm đã làm việc trực tiếp với các nhà sản xuất để sửa đổi thiết bị của họ, đặc biệt nhắm mục tiêu đến màng oxit. Các sửa đổi tập trung cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra các vật liệu phức tạp và được tạo ra một cách tỉ mỉ, sau đó họ nghiên cứu cẩn thận bằng cách sử dụng các công cụ và kỹ thuật khác có sẵn trong Trung tâm Khoa học Năng lượng và các cơ sở người dùng của Bộ Năng lượng.

    Kelsey Stoerzinger, cộng tác viên, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Hóa học tại Đại học Bang Oregon, đồng thời là người được bổ nhiệm chung của PNNL cho biết: “Nhóm PNNL là một nhóm đẳng cấp thế giới về phát triển màng mỏng oxit. "Sự chú ý ấn tượng đến từng chi tiết của họ, cùng với sự tò mò bẩm sinh về khoa học, đã dẫn đến nhiều sự hợp tác hiệu quả giữa các nhóm của chúng tôi. Chúng tôi luôn hào hứng được làm việc cùng nhau bằng cách đo hiệu suất điện hóa của những bộ phim chất lượng cao như vậy."

    Hiểu chuyển động của lithium để có pin tốt hơn
    Nhiều màng được phát triển trong phòng thí nghiệm bao gồm nhiều lớp vật liệu oxit khác nhau. Các khu vực mà các vật liệu khác nhau tiếp xúc, được gọi là giao diện, là một số bộ phận quan trọng nhất của thiết bị như pin. Trong các loại pin cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử hiện đại, giao diện giữa các nguyên tử lithium đang chuyển động và các điện cực đứng yên là một nơi quan trọng nơi các cấu trúc mới hình thành và các vật liệu hiện có bị phá vỡ. Điều này có thể dẫn đến hiệu suất pin kém và cuối cùng khiến chúng ngừng hoạt động.

    Trong các thiết bị thực, giao diện giữa các thành phần pin khác nhau thay đổi trong quá trình sạc và xả. Điều này có thể dẫn đến sự hình thành các vật liệu mới trong quá trình chuyển động của nguyên tử. Việc phát triển các hệ thống mô hình để nghiên cứu các vật liệu và quy trình này là một thách thức.

    Một nghiên cứu gần đây của nhóm phòng thí nghiệm tăng trưởng màng đã phát hiện ra rằng quy trình tăng trưởng nhiều bước có thể đưa lithium vào các vật liệu oxit khác nhau. Bằng cách phát triển một oxit kim loại khác trên một màng dựa trên liti, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các oxit mới với liti và kim loại thứ hai. Hiểu cách thức các oxit mới này hình thành có thể giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu cách các vật liệu bên trong pin thay đổi theo thời gian.

    "Chúng tôi biết rằng lithium có thể di chuyển qua vật chất 

    Du, người đảm nhận trách nhiệm ngày càng tăng đối với phòng thí nghiệm tăng trưởng màng và dẫn đầu dự án này. "Nhưng kết quả của chúng tôi thực sự cho thấy sự di chuyển của lithium có thể dẫn đến sự hình thành các oxit mới như thế nào. Những oxit mới này là những hệ thống mô hình đầy hứa hẹn để nghiên cứu cách thức di chuyển của lithium trong vật liệu rắn, công việc cơ bản để phát triển pin thể rắn thế hệ tiếp theo."

    Nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc kết hợp liti vào titan và oxit vonfram, nhưng nhóm dự định mở rộng nghiên cứu của họ. Đặc biệt, oxit sắt và molypden có những ứng dụng tiềm năng thú vị cho các thiết bị lưu trữ năng lượng.

    Hiểu về trộn oxy
    Tiffany Kaspar tập trung vào việc tìm hiểu cách các nguyên tử di chuyển trong vật liệu, kể cả khi những vật liệu đó ở trong điều kiện khắc nghiệt như trong lò phản ứng hạt nhân. Kaspar là thành viên của Trung tâm nghiên cứu biên giới năng lượng của Hiểu biết cơ bản về vận chuyển dưới các cực của lò phản ứng (TƯƠNG LAI).

    Đối với hầu hết các vật liệu, bề mặt đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định cách chúng tương tác với thế giới. Nó có thể có tác động lớn đến hành vi tổng thể của vật liệu, khiến nó trở nên cần thiết để nghiên cứu. Độ mỏng và khả năng kiểm soát chính xác của chúng khiến màng oxit mỏng của PNNL trở nên lý tưởng để tạo mô hình bề mặt vật liệu.

    Kaspar và các cộng tác viên của cô nghiên cứu cách oxy di chuyển trong quá trình phát triển của các lớp bề mặt crom và oxit sắt. Đối với nhiều vật liệu, việc bổ sung oxy và hình thành oxit là một phần trong quá trình phân hủy của chúng. Điều này được gọi là ăn mòn và là quá trình hình thành rỉ sét trên thép. Quá trình oxy hóa là một vấn đề đặc biệt khó khăn trong các điều kiện khắc nghiệt, trong đó môi trường khiến vật liệu xuống cấp nhanh hơn. Hiểu cách oxy di chuyển qua các vật liệu có thể giúp các nhà nghiên cứu phát triển các hợp kim cải tiến, chống phân hủy.

    Để nghiên cứu oxy trong vật liệu, trước tiên nhóm nghiên cứu đã tạo ra một màng oxit sắt hoặc crom tiêu chuẩn. Sau đó, họ chuyển nguồn oxy để thêm các nguyên tử oxy có thể theo dõi và được dán nhãn cụ thể. Hai lớp nguyên tử oxy riêng biệt cho phép nhóm nghiên cứu chuyển động của oxy. Nếu các nguyên tử oxy vẫn bị mắc kẹt ở vị trí ban đầu của chúng, màng cuối cùng sẽ có hai lớp riêng biệt—đây là cách hiểu thông thường về sự phát triển của màng. Đó không phải là những gì đội nhìn thấy. Sử dụng bản đồ 3D, họ phát hiện ra rằng oxy từ lớp trên và lớp dưới trộn lẫn trong vật liệu trong quá trình phát triển màng.

    Các nhà nghiên cứu đã có thể xác định làm thế nào điều này xảy ra ở cấp độ nguyên tử. Họ đã tìm ra một cơ chế mà các nguyên tử bề mặt mới được thêm vào sẽ "kéo" các nguyên tử từ lớp bên dưới lên. Sau đó, các nguyên tử trải qua một chuyển động quay giống như vòng xoay các nguyên tử bên trong vật liệu. Điều này có nghĩa là những gì xảy ra trên bề mặt của vật liệu không ở lại trên bề mặt.

    Cơ chế pha trộn được xác định trong công trình của Kaspar có thể áp dụng cho nhiều thứ hơn là chỉ lắng đọng các màng mỏng và có thể hoạt động trong quá trình phân hủy vật liệu. Những thay đổi xảy ra trên bề mặt có tác động sâu hơn, làm thay đổi vật liệu ở nhiều lớp bên dưới. Bằng cách sử dụng các màng mỏng được dán nhãn chính xác của Kaspar, nhóm nghiên cứu đang khám phá cách bức xạ ảnh hưởng đến chuyển động của nguyên tử và họ có kế hoạch bổ sung để nghiên cứu các tác động kết hợp của bức xạ và sự ăn mòn.

    Chambers, người đang tiếp tục thực hiện nghiên cứu về tính chất của cấu trúc dị thể oxit/chất bán dẫn phức tạp cho các ứng dụng điện tử tiên tiến, cho biết: “Thật thú vị khi xem điều gì sẽ xảy ra tiếp theo đối với nhóm. "Tôi vô cùng hài lòng khi thấy các thành viên trẻ hơn trong nhóm mà tôi đã cố vấn trong nhiều năm, như Yingge và Tiffany, ngày càng đảm nhận vai trò lãnh đạo. Chương trình đang được thực hiện tốt."

    Zalo
    Hotline