Eine Zufallsentdeckung führt zu einem einfachen Prozess, der die Eigenschaften von Perowskit-Oxynitrid steuern kann.

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Verwendung von Dehnung zur Steuerung von Oxynitrid-Eigenschaften

Eine zufällige Entdeckung führt zu einem einfachen Prozess, durch den “Sauerstoffmiss-Schichten” in Perowskit-Oxynitride eingebracht und deren Eigenschaften verändert werden können.

Japanische Wissenschaftler sind auf eine einfache Methode zur Kontrolle der Einführung von Defekten, so genannten “Leerschichten”, in Perowskit-Oxynitriden gestoßen, die zu Veränderungen ihrer physikalischen Eigenschaften führen. Der Ansatz, der in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, könnte bei der Entwicklung von Photokatalysatoren helfen.

Oxynitride sind anorganische Verbindungen, die aus Sauerstoff, Stickstoff und anderen chemischen Elementen gebildet werden. Aufgrund ihrer interessanten Eigenschaften haben sie in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt, z.B. bei Anwendungen in optischen und Speichervorrichtungen und bei photokatalytischen Reaktionen.

Im Jahr 2015 berichteten der Festkörperchemiker Hiroshi Kageyama vom Institut für integrierte Zell-Material-Wissenschaften (iCeMS) der Universität Kyoto und sein Team, dass sie einen Weg gefunden haben, Oxynitride mit einem Ammoniak-Behandlungsverfahren mit niedrigerer Temperatur herzustellen als mit der herkömmlichen Methode, die mehr als 1.000°C benötigt). Das neue Verfahren erzeugte ein polykristallines Pulver mit Schichten fehlender Sauerstoffatome, die als Sauerstoff-Leerlaufebenen bekannt sind.

Das Team wollte die physikalischen Eigenschaften dieses Oxynitrids untersuchen, und so züchteten sie es als einkristallinen Dünnfilm auf einem Substrat. “Aber die Sauerstoffaktivitätsschichten in dem entstandenen Film befanden sich in einer anderen Ebene als das ursprüngliche Pulver”, sagt Kageyama. Sie fragten sich, ob das darunter liegende Substrat die Orientierung der Sauerstoffleerlaufschichten beeinflusst.

Das Team züchtete einen Film aus Strontium-Vanadiumoxid (SrVO3) auf verschiedenen Substraten und behandelte ihn in Ammoniak bei einer niedrigen Temperatur von 600°C. Die Ebene der Sauerstoffleerlaufschichten und ihre Periodizität – wie häufig sie in den anderen Schichten des Films auftreten – änderten sich je nach dem Grad der Fehlanpassung zwischen den “Gitterdehnungen” im Substrat und dem darüberliegenden Film. Die Gitterdehnung ist eine durch das Substrat ausgeübte Kraft, die bewirkt, dass die Atome in einem Material relativ zu ihrer normalen Position leicht verschoben werden.

“Obwohl Festkörperchemiker wissen, dass Sauerstoffdefektebenen eine wichtige Rolle bei der Veränderung der Eigenschaften von Oxiden spielen, wie z.B. bei der Induktion von Supraleitung, waren wir bisher nicht in der Lage, ihre Bildung zu kontrollieren”, sagt Kageyama.

Oxide werden typischerweise durch Hochtemperaturreaktionen synthetisiert, was es schwierig macht, ihre Kristallstrukturen zu kontrollieren. Die Verwendung einer niedrigeren Temperatur und Dehnung bei diesem Experiment war der Schlüssel zum Erfolg.

“Unser Team entwickelte eine Methode zur Erzeugung und Kontrolle der Richtung und Periodizität der Sauerstoff-Vakanz-Schichten in Dünnschichtoxiden, indem es einfach eine Dehnung anwendet”, sagt Kageyama. “Da die Dehnungsenergie enorm groß ist, so groß wie Tausende von Grad Celsius, können wir sie nutzen, um neuartige Strukturen zu stabilisieren, die sich sonst nicht bilden”.

Kageyama sagt, es wäre interessant zu untersuchen, wie Änderungen der Dicke der Oxidschicht oder der Reaktionstemperatur und -zeit auch die Orientierung und Periodizität der Sauerstoff-Vakanz-Schichten beeinflussen könnten.

Referenz: “Dehnungsinduzierte Erzeugung und Schaltung von Anionen-Leerschichten in Perowskit-Oxynitriden” von Takafumi Yamamoto, Akira Chikamatsu, Shunsaku Kitagawa, Nana Izumo, Shunsuke Yamashita, Hiroshi Takatsu, Masayuki Ochi, Takahiro Maruyama, Morito Namba, Wenhao Sun, Takahide Nakashima, Fumitaka Takeiri, Kotaro Fujii, Masatomo Yashima, Yuki Sugisawa, Masahito Sano, Yasushi Hirose, Daiichiro Sekiba, Craig M. Brown, Takashi Honda, Kazutaka Ikeda, Toshiya Otomo, Kazuhiko Kuroki, Kenji Ishida, Takao Mori, Koji Kimoto, Tetsuya Hasegawa und Hiroshi Kageyama, 23. November 2020, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-020-19217-7.

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