Amas d’atomes dépendant de la lumière pour les applications de détection

NPG Asia Materials (2022). DOI : 10.1038 / s41427-022-00366-8″ width=”685″ height=”209″/>

Caractérisation du film de cluster fabriqué par dépôt électrophorétique (EPD). (a) Image SEM en coupe du film déposé sur un substrat anodique par EPD. (b) Spectres de masse d’ionisation électrospray observés et simulés pour [{Mo6Bri8}Bra6-n(OH)an]2- ions avec n = 0 (ligne rouge), 1 (ligne bleue) et 2 (ligne verte), et adduits H2O associés (ligne grise). c ATD enregistrées pour le film déposé : [{Mo6Bri8}Bra6-n(OH)an]2- ; n = 0 (ligne rouge), n = 1 (ligne bleue), n = 2 (ligne verte). Conditions de dérive du tube de dérive : 4,0 Torr d’hélium à 298 K, tension de dérive de 450 V. Matériaux NPG Asie (2022). DOI : 10.1038 / s41427-022-00366-8

Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Nature Asie MatériauxKenshi Harada et une équipe en science des matériaux et en science analytique au Japon et en France ont formé un nouveau dispositif de détection d’environnement qui a exploré les phénomènes opto-ioniques-électroniques d’un métal octaédrique de molybdène (Mo6) groupe. L’équipe a construit ces nanomatériaux, ou grappes atomiques, avec des atomes métalliques liés les uns aux autres avec des atomes non métalliques qui les accompagnent. Ils ont modifié les propriétés des matériaux pour une variété d’applications en ajoutant des substances fonctionnelles. Dans ce travail, Harada et al. ont développé des films transparents en oxyde d’indium et d’étain sur lesquels ils ont déposé des amas atomiques d’hexamolybdène pour étudier la dépendance à l’humidité et à la température des propriétés électriques des films et pour comprendre comment leur conductivité se modifiait avec des conditions d’éclairage variables. Le matériau innovant a des applications comme capteur atmosphérique.

Ingénierie des matériaux pour concevoir de nouveaux nanomatériaux

Les métaux, les semi-conducteurs, les céramiques et les polymères donnent tous naissance à des matériaux fonctionnels susceptibles de développer de nouvelles technologies. Les matériaux qui convertissent l’énergie peuvent être largement utilisés dans des situations quotidiennes, et les chercheurs visent à conférer des propriétés plus avancées aux appareils, notamment les capteurs piézoélectriques, thermoélectriques, à gaz et les photodiodes pour des fonctions durables. Le développement de matériaux multifonctionnels couplé à la miniaturisation des appareils peut conduire à l’utilisation d’un seul produit pour étendre les applications de détection et d’éclairage. Harada et al. axé sur les clusters d’atomes métalliques reconnus comme des blocs de construction multifonctionnels de nanomatériaux pour concevoir de nouveaux dispositifs intelligents. Ils ont étudié la dépendance à la température des propriétés électroniques d’un agrégat de molybdène métallique translucide préparé par dépôt électrophorétique, ainsi que les propriétés de conductivité des matériaux sous irradiation lumineuse. Puis, à l’aide de la spectrométrie de masse, ils ont déterminé la composition chimique de l’amas métallique et décrit les propriétés électroniques pour comprendre l’influence de l’irradiation lumineuse sur les propriétés électroniques et ioniques.

Nanomatériaux - amas d'atomes dépendant de la lumière pour les applications de détection

Spectres d’impédance électrochimique des films de cluster. (a) Parcelles de Nyquist pour des films à différentes températures (RH = 80 %) et (b) Parcelles de Nyquist pour des films à différentes humidités (T = 300 K). Crédit: Matériaux NPG Asie (2022). DOI : 10.1038 / s41427-022-00366-8

Morphologie et propriétés du film déposé

Harada et al. ont d’abord caractérisé le film de surface à l’aide d’un microscope électronique à balayage. Ensuite, ils ont quantifié la spectrométrie de mobilité ionique-spectrométrie de masse pour étayer l’hypothèse d’échange d’ions lors du dépôt électrophorétique. Sur la base des résultats, la spectrométrie de mobilité ionique a montré que ces réactions d’échange de ligands n’affectaient pas de manière substantielle la géométrie de l’amas de molybdène. Ils ont ensuite étudié la dépendance à la température et à l’humidité pendant la conductivité électrique dans le film de cluster de molybdène et ont montré que la résistance électronique du film de cluster dépendait de la température. Au fur et à mesure que la température augmentait, la résistance électronique diminuait. L’équipe a ensuite observé des énergies d’activation similaires pour des films de cluster de molybdène préparés avec des temps de dépôt différents pour suggérer comment les propriétés électroniques n’étaient pas affectées par l’épaisseur du film. Harada et al. ont également pris en compte les spectres d’impédance du film de cluster à différentes humidités relatives pour montrer que lorsque l’humidité relative diminuait, la résistance électronique augmentait.

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Propriétés de conduction du film mince d’amas de molybdène octaédrique amorphe. ( a ) Dépendances de la température de la conductivité pour le film de cluster en raison des différences d’humidité. (b) Dépendance à l’humidité de la conductivité à 300 K. (c) Dépendance en fréquence de M ”à chaque température. (d) Dépendance en fréquence de M ”à chaque niveau d’humidité. Crédit: Matériaux NPG Asie (2022). DOI : 10.1038 / s41427-022-00366-8

Dépendance de la fréquence de relaxation du film de cluster de molybdène et d’autres propriétés.

Harada et al. ensuite observé la conductivité du film de cluster, qui dépend généralement du nombre d’hydronium (H3O+) et hydroxyde (OH) ions créés par la réaction d’hydrolyse lors du processus de dépôt électrophorétique. La modification locale du pH autour des électrodes était un facteur important au cours du processus de dépôt électrophorétique, et l’équipe a utilisé des ions hydronium pour neutraliser les anions en grappes de molybdène et créer des grappes supplémentaires, avec des composants potentiellement stables et neutralisés. Les scientifiques ont ensuite abordé les propriétés électroniques du film de cluster de molybdène sous irradiation lumineuse, qu’ils ont caractérisé par une mesure de courant continu. Ils ont noté la conduction électrique via des transitions incohérentes de porteurs de charge entre des états spatialement localisés. L’équipe a observé des changements dans les propriétés électroniques locales du film de cluster sous irradiation via des lumières LED ultraviolettes, rouges et bleues sous courant continu. Dans chaque cas, ils ont effectué une irradiation lumineuse pendant seulement 30 secondes après un temps écoulé de 270 secondes depuis le début de l’application de la tension de courant continu. Harada et al. ont également mesuré l’impédance du film de cluster sous irradiation de lumière UV, bleue et rouge. Les densités de flux de photons étaient similaires dans les conditions d’intérêt. L’impédance accrue notée lorsque les échantillons ont été irradiés avec de la lumière UV et bleue, alors qu’aucun changement significatif n’a été observé avec la lumière rouge.

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    Changements dans les propriétés électroniques du film de cluster dus à l’irradiation lumineuse. ( a ) Courbe I – t avec une tension continue appliquée de 2 V au film de cluster. ( b ) Courbes I – t du film de cluster sous irradiation par UV-A, lumière bleue et rouge. (c) Augmentation du courant due aux différentes intensités lumineuses des UV-A. La figure insérée présente ΔI / moyenne de ΔI360 lx. ( d ) Diagrammes d’impédance pour le film de cluster avant, pendant et après l’irradiation UV-A. ( e ) Changement de résistance du film de cluster sous irradiation UV-A, bleue et rouge. Crédit: Matériaux NPG Asie (2022). DOI : 10.1038 / s41427-022-00366-8

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    Illustration schématique de la structure du film de cluster. (a) Amas de molybdène octaédrique dans le film. ( b ) Structures postulées pour les films de cluster dans des humidités élevées et faibles. Crédit: Matériaux NPG Asie (2022). DOI : 10.1038 / s41427-022-00366-8

Perspectives

L’équipe a ensuite développé une structure schématique du cluster de molybdène dans le film à partir des résultats et a mené plusieurs expériences avec des phénomènes reproductibles qui se sont avérés réversibles. Par exemple, Harida et al. pourrait restaurer l’irradiation lumineuse réduite à l’état initial après une heure d’équilibrage. Étant donné que le cluster de molybdène a montré des propriétés photocatalytiques, les molécules d’eau et / ou les ions hydronium contenus dans le film se décomposent dans la photoréaction pour une conductivité ionique réduite. Des recherches supplémentaires ont également montré comment les couches à base de structure moléculaire conduisaient naturellement à un comportement semi-conducteur intrinsèque. Sur la base des expériences, Kenshi Harada et ses collègues ont mis en évidence la dépendance de l’humidité, de l’intensité de la lumière irradiée et de la longueur d’onde d’irradiation sur les propriétés électroniques du film de cluster de molybdène. L’équipe a identifié les caractéristiques les plus avantageuses du cluster de molybdène, y compris le grand décalage de Stokes, la longue durée de vie et l’efficacité luminescente rouge élevée pour montrer comment le film de dépôt électrophorétique forme un dispositif multifonctionnel prometteur pour détecter l’humidité et les UV.


Des propriétés semi-conductrices surprenantes révélées grâce à une nouvelle méthode innovante


Plus d’information:
Kenshi Harada et al, Conduction ionique-électronique dépendante de la lumière dans une couche mince de molybdène octaédrique amorphe, Matériaux NPG Asie (2022). DOI : 10.1038 / s41427-022-00366-8

Gee Yeong Kim et al, Grand photoeffet accordable sur la conduction ionique dans les pérovskites aux halogénures et implications pour la photodécomposition, Matériaux naturels (2018). DOI : 10.1038 / s41563-018-0038-0

© 2022 Réseau Science X

Citation: Nanomaterials: Light-dependent atom clusters for sensing applications (1er avril 2022) récupéré le 2 avril 2022 sur https://phys.org/news/2022-04-nanomaterals-atom-clusters-applications.html

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