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2018
05-10

有史以来第一次,X射线成像捕捉材料缺陷过程


从铁匠锻造铁到工匠吹玻璃,人类有几个世纪以来一直在改变材料的属性,以建立更好的工具 - 从铁马蹄铁和剑到玻璃罐和医药瓶。

为了绘制出纳米级金属钯的变化,研究人员使用了X射线的衍射图案。 (图片由马克·洛佩兹/阿贡国家实验室提供)

在现代生活中,创造新材料来改善今天的项目,比如为摩天大楼提供更坚固的钢材和更可靠的手机半导体。

现在,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员已经发现了一种新的方法来详细描述原子尺度和近实时的这些物质变化的形成,这是一个重要的步骤,可以帮助改进工程更强的新材料。

阿贡研究人员是第一个近乎实时地捕获纳米材料缺陷的形成。他们的工作将帮助其他研究人员对材料的行为进行建模,这一步对于设计更强大,更可靠的材料至关重要。 (图片由Mark Lopez / Argonne国家实验室提供)

美国能源部科学用户设施办公室的Argonne先进光子源公司的研究人员在一项发表于1月16日的文章“Nature Materials ”中发现,他们首次当金属暴露在氢气中时,钯的结构缺陷的不断变化。

这种成像能力将帮助研究人员验证预测材料行为以及如何形成缺陷的模型。缺陷工程是指在材料内故意创建缺陷以改变材料属性的做法。这些知识对于为建筑,半导体,电池,技术设备和许多其他物品和工具设计更好,更坚固和更可靠的材料至关重要。该研究的作者之一,阿贡研究员Andrew Ulvestad说:“缺陷工程是基于这样的观念,即你可以采取一些你已经知道的特性,并且通过加入缺陷或不完善的东西, 。 “这种做法不仅适用于金属,还适用于所有具有晶体结构的材料,如太阳能电池和电池阴极中的材料。”

缺陷工程用于优化各个领域的材料设计,但最常见的是关联随着半导体的发展。半导体材料,如硅,被用作电子元件;它们构成了我们大部分现代电子产品的基础,包括笔记本电脑和手机。

在一个被称为“兴奋剂”的过程中,制造商通过添加杂质来创造这些材料的缺陷,以便操纵其各种技术用途的电性能。

虽然制造商知道他们可以改变各种材料的属性以获得他们想要的属性,但是控制这些变化的过程并不总是清楚的。

为了增加对这些过程的理解,阿贡研究人员特别关注在纳米尺度上形成的缺陷。在这个非常小的层次上的缺陷,界面和波动可以在更大的范围内对材料的功能,如热性能,电子性能和机械性能提供关键的洞察力。

为了捕捉缺陷的形成,Argonne团队采取了纳米结构的钯样品,并在高压下注入或注入氢气。同时,他们将样品暴露在高级光子源的强大的X射线下。

当撞击钯晶体时,X射线散射,并且它们的分散模式被检测器捕获并用于计算钯结构内原子位置的变化。实质上,这个过程使研究人员能够“看到”材料内的变形。 “在某些方面,我们得到了百万分之一的镜头,因为在晶体内发生的缺陷并不总是发生,因为这个过程的复杂性质,”Argonne物理学家Ross Harder,另一位作者研究。

扫描中显示的变化举例说明了缺陷可以改变材料属性以及它们如何响应 外部刺激。例如,形成的缺陷改变了钯可以储存和释放氢气的压力,这些知识可能对储氢,传感和净化应用有用,研究人员说。

缺陷工程方法已被用于研究其他系统,包括电池阴极纳米粒子。然而,由Ulvestad和Harder领导的这项研究是第一个捕捉缺陷形成的研究。

“我们所做的是为其他研究人员制定路线图。我们已经向他们展示了一个模拟这个系统和具有相似动态的系统的方法,“Ulvestad说。

来源:ANL