From Aqueous Solutions to oxide Thin films and hierarchical Structures

Nanoteknologi som en av de muliggjørende teknologiene inkluderer materialer og strukturer der minst én dimensjon er i nanometerområdet (en tusendels millimeter). Nanoteknologi har revolusjonert viktige områder som elektronikk, medisinsk teknologi samt energiproduksjon og -bruk da materialstrukturer på nanoskala har forskjellige egenskaper sammenlignet med tilsvarende bulk. Reproduserbar produksjon av nanoskala materialer på en miljøvennlig og rimelig måte er utfordrende, men helt nødvendig for å utnytte potensialet til denne teknologien ytterligere. I dette Toppforsk -prosjektet utvikler forskere i forskningsgruppen Funksjonelle materialer og materialkjemi ved Institutt for materialteknologi, NTNU, en ny synteseplattform for å produsere nanomaterialer som tynne filmer og hierarkiske strukturer basert på noe så enkelt som vandige saltløsninger som inneholder de kjemiske elementene materialene er bygget av. Dette prosjektet har brakt oss til den internasjonale forskningsfronten innen miljøvennlig syntese av nanostrukturerte materialer. Materialene vi studerer er piezoelektriske oksider som kan brukes som sensorer og aktuatorer, samt for datalagring og energihøsting. Tynne filmer deponert på et substrat er viktige i for eksempel elektronikk og piezoelektrisk energihøsting. Hierarkiske nanostrukturer består derimot av nanoskala byggeklosser som nanopartikler som vokser sammen med jevne mellomrom. I dette prosjektet har vi utviklet et sett med in situ karakteriseringsverktøy som brukes til å studere hvordan byggeklossene til materialene som atomer og ioner reagerer og bygger opp nanostrukturerte materialer når de dannes. På en enkel måte kan vi si at vi bruker et slags avansert "øye" for å undersøke de kjemiske reaksjonene underveis når nanostrukturene dannes. Karakteriseringsmetodene er basert på bruk av røntgendiffraksjon, total røntgenspredning og infrarød spektroskopi. Røntgendiffraksjon gir oss informasjon om hvordan de krystallinske materialene er bygget opp, mens vi med total spredning og infrarød spektroskopi også kan se på hvordan forløperne til materialene reagerer og først danner amorfe (ikke-krystallinske) mellomprodukter. Denne informasjonen lar oss utvikle prinsipper og modeller for nøyaktig å kontrollere dannelsen av nanomaterialer og dermed designe materialer med forhåndsbestemt morfologi og egenskaper. Syntesemetoder basert på vandige løsninger er miljøvennlige og fleksible og er grunnlaget for dette prosjektet. For eksempel har vi studert hvordan utvalgte piezoelektriske materialer (alkaliniobat, bariumtitanat og strontiumbariumniobat) nanomaterialer dannes og kan, basert på resultatene, bestemme hva slags synteseparametere som skal brukes for å lage materialer med en bestemt sammensetning og struktur. Videre har vi bestemt hvordan vi kan lage epitaksielle piezoelektriske tynne filmer av høy kvalitet basert på en veldig enkel løsning av salter i vann. De fleste in situ eksperimentene utføres ved The European Synchrotron Research Facilities, ESRF, i Grenoble eller ved Spring-8 Synchrotron i Japan, som gir oss "øynene" for å kunne se på dannelsen av de nanostrukturerte materialene.

I prosjektet ?From aqueous solutions to oxide thin films and hierarchical structures - FASTS? har vi utviklet nye in situ karakteriseringsmetoder for å kunne designe egenskaper og struktur til tynne filmer og nanostrukturerte materialer under framstillingen og ikke bruke kostbare «prøve-og-feile» metoder som tradisjonelt har blitt brukt. Prosjektet har bidratt til at vi har etablert oss i verdenstoppen innen dette feltet og dermed styrket faggruppen FACET, Funksjonelle materialer og materialkjemi ved Institutt for materialteknologi, NTNU, noe som gir oss et fortrinn i forhold til videre internasjonalt forskningssamarbeid. Prosjektets yngre forskere har alle vært svært ettertraktet på jobbmarkedet og har fått internasjonale stillinger innen forskning. To av FASTS-forskerne er ansatt på European Synchrotron Research Facilities, ESRF i Grenoble noe som vil bidra til forsterket bruk av denne viktige internasjonale infrastrukturen for norske forskere generelt.

Nanoscale engineering is a fascinating research field spawning extraordinary materials possessing at least one dimension in the nm range, which revolutionizes microelectronics, medicine as well as energy production and utilization. Reproducible and robust fabrication of these nanoscale materials in an environmental friendly and cheap way is challenging and needs to be realized in order to fully exploit the potential of these nanomaterials. In this project, a very strong research group at Department of Materials Science and Engineering, NTNU aims to develop an aqueous synthesis platform for thin films and hierarchical structures which will bring the research group to the forefront in oxide materials science. The project aims to develop an in situ characterization toolbox, which combined with theoretical principles and models, will enable precise control of nucleation and growth of the oxide nanomaterials and replace current empirical approaches. Aqueous chemical synthesis methods are environmental friendly and highly flexible routes to tailored nanostructures and will serve as the basis for this project focusing on lead-free piezo- and ferroelectric materials. Nanoparticles and hierarchical nanostructures will be prepared by hydrothermal synthesis and the theoretical principles and models for the nucleation, growth and oriented attachment of nanosized building blocks will be provided. Thin oxide films will be deposited by aqueous chemical solution deposition and the theoretical principles and models to describe nucleation, growth and epitaxi of the films will be revealed. The new emerging theoretical principles and models will be the basis for providing general guidelines for the reproducible fabrication of nanostructured materials and thin films, in addition to give generic guidelines for the design of novel lead-free piezo- and ferroelectric oxide materials. The project will educate two PhDs and three post docs and 20-25 publications in international journals will be published.