橡树岭国家实验室 用扫描透射电子显微镜在横截面上观察到由脉冲激光沉积二氧化铈和Y2O3制成的纳米刷，其分别具有暗带和亮带
信用:美国橡树岭国家实验室
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能量的 由能源部橡树岭国家实验室领导的一个小组合成了一种具有高表面积的微小结构，并发现了其独特的结构是如何驱动离子穿过界面来传输能量或信息的
他们的“纳米刷”包含由交错的晶体片组成的刷毛，这些晶体片具有垂直排列的界面和丰富的孔隙
“这些都是重大的技术成就，并可能被证明在推进能源和信息技术方面是有用的，”领导这项发表在《自然通讯》上的研究的ORNL的李和年说
“这是一个出色的工作范例，只有在国家实验室具备独特的专业知识和能力的情况下，这项工作才是可行的
" 该团队的研究人员来自美国能源部国家实验室橡树岭和阿尔贡以及麻省理工学院，或者麻省理工学院、南卡罗来纳大学、哥伦比亚大学和田纳西大学
它们的多层晶体或“超晶体”的刚毛是在衬底上独立生长的
前ORNL博士后李东奎用脉冲激光外延法合成了超晶体，沉积并形成了氟绿柱石结构的氧化铈和氧化钇的交替层
纳米刷毛的实现是通过开发一种新的精密合成方法来实现的，这种方法可以在薄膜材料生长过程中控制原子扩散和聚集
前ORNL博士后项高(音)利用扫描透射电子显微镜(STEM)惊讶地发现了刚毛内原子级精确的晶体界面
为了观察纳米刷中氧化铈和氧化钇的分布，ORNL的乔纳森·波普劳斯基在纳米材料科学中心用原子探针断层扫描术测量了刷毛样本，该中心是美国能源部ORNL科学用户设施办公室
“APT是唯一可用的技术，能够探测材料中原子的三维位置，具有亚纳米分辨率和百万分之十的化学灵敏度，”波普劳斯基说
“APT阐明了纳米物体内原子的局部分布，是提供氧化铈和氧化钇层之间界面三维结构信息的绝佳平台
" 在2017年的一篇论文中，ORNL领导的研究人员利用脉冲激光沉积外延技术，精确合成了刷毛仅含一种化合物的纳米刷
在2020年的论文中，他们用同样的方法将二氧化铈和Y2O3这两种化合物分层，制造出第一种混合刷毛，两种材料之间有界面
传统上，通过在薄膜中层叠不同的晶体来横向排列界面，而在新型纳米刷中，当在特定表面上生长时，界面通过仅10纳米宽的刷毛中的表面能最小化来垂直排列——大约比人的头发薄10000倍
“这是一种真正创新的构建晶体纳米结构的方法，提供了前所未有的垂直界面，这在以前从未被认为是可行的，”李和宁说
“你无法从任何其他合成方法中获得这些完美的水晶架构
" 他补充道，“利用界面的方式有很多，这就是为什么2000年诺贝尔奖得主赫伯特·克勒默说，‘界面就是设备。’
传统上，在衬底上沉积薄膜材料层会产生水平排列的界面，允许离子或电子沿衬底的二维平面移动
ORNL领导的成就证明了这样一个概念，即有可能创造出垂直排列的界面，通过这些界面电子或离子可以被输送出衬底平面
此外，像纳米刷这样的架构可以与其他纳米架构相结合，为量子技术、传感和能量存储创造设备
萤石结构的低能结构导致了独特的人字形或倒“V”形的形成
萤石和碧霞石晶体亚单元的不同结构之间的轻微错配导致它们界面处的电子电荷错配，导致氧原子从萤石侧空出，这导致功能缺陷的形成
留下的空间可以形成界面氧离子，并产生离子可以流动的原子级通道
“我们使用界面不仅是为了人工制造氧离子，也是为了以更谨慎的方式引导离子运动，”李说
在的马修的帮助下，高利用STEM揭示了晶体的原子结构和电子能量损失光谱学揭示了关于界面的化学和电子见解
“我们观察到四分之一的氧原子在界面上消失了，”齐索姆说
“我们也对雪佛龙的增长模式感到惊讶
在开始阶段，真正理解刷毛内部的界面是如何形成的是至关重要的
" 纳米刷具有高孔隙率，其结构有利于需要大表面积以最大化电子和化学相互作用的应用，例如传感器、膜和电极
但是科学家如何确定他们材料的孔隙率呢？中子——穿过物质而不破坏它们的中性粒子——为描述大块物质的多孔性提供了一个极好的工具
科学家们使用散裂中子源的资源，散裂中子源是位于ORNL的美国能源部科学用户办公室的设施，用于扩展的Q范围小角度中子散射，确定孔隙度上限为49%
“快速生长的刚毛能提供大约200倍于二维薄膜的表面积，”ORNL的合著者迈克尔·菲茨西蒙斯说
他补充道，“我们所学到的可能会推进中子科学在这一过程中的应用
虽然薄膜不能为中子光谱学研究提供足够的表面积，但ORNL的新型纳米刷结构可以，而且当在美国国家科学研究院的第二目标站(一个受资助的建设项目)获得更亮的中子束时，它可以成为了解更多界面材料的平台
" 从电子和原子水平对材料系统进行的理论计算支持了在界面上产生氧空位的发现
麻省理工学院的贡献者孙立新在伊尔迪兹的指导下进行了密度泛函理论计算和分子动力学模拟
“我们的理论计算揭示了这种界面与大块材料相比，如何在这种独特的界面上适应一种很大程度上不同的化学物质，”伊尔迪兹说
麻省理工学院的计算预测了移除一个中性氧原子以在界面附近或氧化铈层中间形成空位所需的能量
“特别是，我们发现大部分氧离子在界面上被去除，而不会破坏晶格结构
" 李说，“事实上，这些关键界面可以在纳米刷结构内部形成，使它们在许多技术应用中比传统薄膜更有前景
它们更大的表面积和更多的接口——每根刷毛内部可能有数千个——可能会在未来以接口为设备的技术中改变游戏规则
" 论文题目是“萤石-碧霞石界面上巨大氧空位的形成”
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