Написание в ноябре. В 14 выпуске журнала Nature Communications исследователи описывают обнаружение этого необычного расположения атомов при изучении наночастиц, сделанных из полупроводникового сульфида меди-индия (CIS), который активно изучается для использования в солнечных элементах.
Чередование кристаллов имеет свойства, которые делают его идеальным для термоэлектрических применений, которые превращают тепло в электричество, сообщают они. Открытие материалов с улучшенной термоэлектрической эффективностью могло бы повысить эффективность производства электроэнергии, сократить пробег автомобиля и снизить стоимость кондиционирования воздуха.
«Мы обнаружили эту новую форму при изучении наночастиц», – сказал Сократ Пантелидес, заслуженный профессор физики и инженерии Университета Вандербильта, который координировал исследование. "Скорее всего, он существует в тонких пленках или объемных образцах, но, по-видимому, остался незамеченным."
В кристаллических материалах атомы расположены в периодических массивах точек – математическая абстракция, называемая решеткой Браве. Есть 14 различных типов решеток Браве в трех измерениях.
Один и тот же атом или группа атомов находится в каждой точке решетки. Самая простая и симметричная – «простая кубическая» решетка.
Квадратная напольная плитка представляет собой двумерный пример. Углы плитки создают правильный повторяющийся узор решетки. Трехмерная версия – это гранецентрированный куб (FCC), который имеет точки как в углах, так и в центрах граней куба.
У ряда минералов есть решетка ГЦК. Представьте себе сокращение ГЦК-решетки до атомного масштаба и размещение разных атомов в каждой точке решетки. Когда у вас есть более одного атома в каждой точке, каждый тип атома образует свою собственную подрешетку.
Например, если вы поместите пару атомов углерода в каждую точку (образуя две подрешетки FCC), вы получите алмаз. Если вы поместите пару атомов натрия и хлора в каждую точку решетки, они образуют подрешетки натрия и хлора, и вы получите соль.
СНГ немного сложнее. Вы можете представить себе атомы серы, занимающие одну подрешетку ГЦК, в то время как атомы меди и индия разделяют вторую подрешетку.
Каждый атом меди или индия окружен четырьмя ближайшими соседями серы, в то время как каждая сера окружена двумя ближайшими соседями меди и двумя атомами индия.
Bulk CIS обычно имеет кубическую структуру. Но когда доцент химии Вандербильта Джанет Макдональд и ее аспирант Эмиль Эрнандес-Паган вырастили нанокристаллы CIS, чтобы исследовать их свойства для сбора солнечного света, они обнаружили, что крошечные кристаллы имеют гексагональную решетчатую структуру с атомами серы, занимающими одна подрешетка, а атомы меди и индия разделяют другую.
"В СНГ атомы серы образуют эти идеально упакованные слои, а ионы меди и индия лежат между ними, как варенье в бутерброде.
Эмиль делал наночастицы из этого материала в лаборатории, но мы не знали, были ли медь и индий упорядочены или просто случайным образом распределены в слоях «варенья» », – сказал Макдональд. «Это было важно, потому что неупорядоченные структуры обычно имеют плохие электрические свойства."
Из-за небольшого размера наночастиц дифракция рентгеновских лучей, обычный метод определения кристаллической структуры, не может определить, упорядочены ли атомы меди и индия каким-либо образом.
Доцент Вандербильта, профессор Сяо Шэнь из группы Пантелидеса выполнил теоретические расчеты, чтобы определить, предпочтительнее ли упорядоченное или неупорядоченное распределение атомов меди и индия, и пришел к выводу, что несколько различных упорядоченных структур предпочтительнее неупорядоченной структуры и что все упорядоченные структуры имеют одинаковые характеристики. вероятность возникновения.
Ученые не имели четкого представления о том, как эти различные упорядоченные структуры могут сосуществовать, пока сотрудник Wigner Wu Zhou из ORNL не получил подробные изображения наночастиц в атомном масштабе.
Его изображения ясно показали, что, хотя все атомы занимают точки идеальной гексагональной решетки Браве, атомы меди и индия образуют серию отдельных доменов, в которых атомы меди и индия расположены по-разному. Границы между различными структурами медь-индий аналогичны границам зерен в поликристаллических твердых телах, но как расчеты Шена, так и изображения показали, что лежащая в основе гексагональная решетка полностью не нарушена.
Когда исследователи проанализировали изображения еще более внимательно, «все стало еще интереснее», – сказал Макдональд. «Мы обнаружили, что очень сложно точно определить, где находятся края между областями разного порядка. Обычно это действительно ясно, потому что обычно, когда у вас есть поликристаллические образцы, есть деформации по краям между различными областями. Было очень странно, что по краям не было натяжения и разрывов.
Нижележащая решетка не была полностью нарушена этими различными областями упорядочения меди / индия. Было действительно удивительно, что, несмотря на все эти маленькие кристаллиты, вся кристаллическая решетка полностью счастлива и не нуждается в смещении, скручивании или разрыве, чтобы приспособиться к ним."
По словам исследователей, переплетенная кристаллическая структура может быть именно тем, что необходимо для оптимизации термоэлектрических приложений для выработки электроэнергии или охлаждения. Термоэлектрические устройства нуждаются в материале, который является отличным проводником электричества и плохим проводником тепла.
Проблема в том, что такие материалы, как металлы, которые являются хорошими электрическими проводниками, также имеют тенденцию быть хорошими проводниками тепла, и наоборот. Дефекты и границы зерен, препятствующие тепловому потоку, также снижают электропроводность.
«Мы еще не тестировали это, но уверены, что эти материалы обладают высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью…именно то, что вам нужно для термоэлектриков. "Сейчас поле открыто для ученых, которые могут изготавливать тонкие пленки и проводить термоэлектрические измерения", – сказал Пантелидес.