Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Tracking Angstrom Resolution of Nano Crystals and Thin Solid Films via Transmission Electron Microscopy

Alternativ tittel: Måling av vekst av nanokrystaller og tynne overflatefilmer ved bruk av transmisjonselektronmikroskopi

Tildelt: kr 7,6 mill.

Atomic Layer Deposition (ALD) setter målet til nedskalering og bruk av mindre verdifulle materialer og representerer den endelige grensen for miniatyrisering i produksjon. Veksten av ALD-filmer starter med at individuelle partikler av nm-størrelser begynner å utvikle seg for senere å smelte sammen til en kontinuerlig film. Den første såkalte nukleeringsfasen er ennå utilstrekkelig undersøkt og forstått. Ettersom krav etter filmer under 10 nm tykkelse øker, blir kunnskap om denne fasen uunnværlig. Hensikten med Trånslate var å utføre den første in situ atomistiske karakteriseringen av nukleeringsfasen ved å undersøke tre viktige ALD-materialsystemer: edelmetaller, metalloksider og metallsulfider. Platina (Pt), gruppe IV-oksider og sinksulfider fungerte som modellsystemer for å oppnå generaliserbar innsikt tvers over alle viktige ALD-materialer og -mekanismer. Vi samarbeidet med Nanoscale Prototyping Laboratory ved Stanford University (SU). Prosjektet ble gjennomført fra 1. april 2018 til 24. april 2022. Vi startet med å se på tynne platina (Pt) filmer og fikk betydelig innsikt i nukleerings-, nanostrukturerings- og legeringsmekanismer, for å justere det katalytiske aktivitet og bruk av minst mulig Pt. Vi utforsket interaksjonen mellom Pt-atomer og deres substrat, skapte trykkbelastning gjennom legering og brukte 3D-nanostrukturerings-strategier. Vi økte utnyttelsen av Pt i oksygen katalyse til 0,8 A per mg Pt og begynte å bruke disse sikter i brenselcellelektroder. Nukleering av ALD metallisk kobber (Cu) filmer for CO2-reduksjonsprosesser ble undersøkt. Vi deponerte Cu på 3D-nikkel- og titangittersubstrater for å skape enheter til elektrolyse av vann (okygenutviklingsreaksjon- OER). Substratavhengig nukleering og oksiddannelse ble observert der Ni-baserte substrater presterte betydelig bedre enn Ti. Tynne titania (TiO2), zirkonia (ZrO2) og hafnia (HfO2) filmer viste seg å være verdifulle i modifikasjonen av Magnesium (Mg) og Titanium (Ti) baserte biomaterialer som brukes i implantater. Å ruke ALD oksidbelegg som grensesjikt til det biologiske miljøet har derfor utviklet seg i sin egen forskningsagenda gjennom prosjektet. Høy konsentrasjon av hydrogen i kroppen kan føre til celledød og må unngås. ALD-TiO2 reduserte hydrogenutviklingshastigheten til en porøs Mg material med 85 % porøsitet med 68 % sammenlignet med konvensjonell produserte motstykker. Videre reduserte ALD-TiO2 og -ZrO2 virkningen av korrosjon mot mekanisk feil (endelige strekkstyrken med 6% og 40%, bruddtøyningen med 70% og 76%, henholdsvis). Vi målte biokompatibilitetet mot korrosjonsmotstanden, der celler (L929) kultivert på en 100 nm tykk TiO2 belagt Mg-legering viste betydelig lavere levedyktighet enn på en substrat av ZrO2 og HfO2. Arbeidet med sulfider er viktig for forståelsen av bufferlag i solceller. Vi fikk betydelig innsikt i nukleering av sinksulfid (ZnS) ved å observere veksten av ZnS på TiO2 substrater ved Stanford Radiation Lightsource. Både sulfid- og sulfatelementer dannes under nukleeringsfasen. En screeningmetode med høy gjennomsetning ble utviklet for å bestemme de mest sannsynlige atomkonfigurasjonene mens filmen utviklet seg. Den besto av en overvåket maskinlæringsanalyse av tusenvis av simulerte røntgenspektra. Innsiktet på atomnivå ble oppnådd ved en økt forstæelse av de endringene i posisjonene av atomer på overflaten da de gikk over fra nukleering til krystallin ZnS. En ALD-in situ-transmissjonselektronmikroskopi (TEM)-enhet ble utviklet og validert som kan muliggjøre in situ-studier i TEM-er rundt om i verden. Under denne utviklingen ble det laget tynne (< 50 nm) tunnellignende enestående skallmembraner av aluminiumoksid med forholder på 475:1 etsedybde til strukturbredde og 9750:1 etsedybde til membrantykkelser, noe som kan bidra til å lage bedre sensorer. To unike in situ-instrumenter ble utviklet; et in situ-ALD-FTIR-verktøy samt et in situ-ALD-røntgenspektroskopiverktøy, som vil være tilgjengelig for fremtidige forskere og som er dokumentert i flere publikasjoner. Trånslate førte til mange fremtidige prosjekter, et ERC Starting Grant og flere oppfølgingsprosjekter med både Stanford University og University of Michigan. Totalt 15 artikler som inkluderer publikasjoner i Nature Materials, Nature Catalysis, ACS Chemistry of Materials and Advanced Materials ble publisert. ESIAM-konferanseserien, en internasjonalt anerkjent konferanseserie med rundt 150 deltakere annethvert år ble etablert. PI’en tok en aktiv rolle i den Stanford seminar- og forelesningsserie «Affiliate Program», der resultater formidles til firmaer fra USA, Østerrike og Norge. Pt-nanopartikkel-deponering pågår gjennom ERC og prosjekter med Stanford. ALD belegger som grense til det biologiske miljøet er forfulgt av forskere ved NTNU. Arbeidet med sulfider førte til en anerkjent metode for å skjelne nukleering via røntgenkarakterisering, Quantum simuleringer og maskinlæring. Våre samarbeidspartnere fra i Michigan etablerte en relatert forskningsagenda.

Understanding the nucleation of Pt led to applications in catalysis, e.g. for polymer electrolyte fuel cells. The tuning of Pt particles led to high mass activity reducing one of the main cost drivers in fuel cells. This triggered scientific interest and will lead to follow up projects. Understanding oxides led to an improved corrosion resistance and biocompatibility of Mg and Ti alloys. A closed loop between the X-ray in situ experiments and the description and the nucleation of ZnS could be established through simulations and machine learning, which will be key to investigate the nucleation phase of other thin films. In situ TEM chips were created in a new workflow allowing nm thin, gas tight channels. We reduced cost drivers in fuel cells contributing to climate change mitigation. We worked on biomaterial coatings for their extended use in implants, developed a novel method to study and understand thin films and established a new MEMS process.

To meet the expectations of down scaling and to use less precious material, Atomic Layer Deposition currently sets the benchmark and ultimate limit for miniaturization in manufacturing. The growth of ALD films starts with a nucleation phase differing significantly from the later growth regime. In this phase, individual nm-sized islands start developing to later coalesce to a continuous film. This phase is yet poorly understood. As the demand for films below 10 nm thickness rises, knowledge of this phase becomes indispensable as such films are entirely determined by the specifics of this phase. We propose to perform the first ever in situ ALD Transmission Electron Microscopy experiment allowing atomic scale manufacturing and characterization in situ during film evolution at working conditions. The world leading TEM capabilities available at the Norwegian Centre for TEM will enable these experiments allowing a multitude of crystallographic, chemical and topological characterization within one experiment. Complementary, we will perform state-of-the-art plane wave quantum chemical simulations on nucleation mechanisms under study using experimental results as inputs.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek