原子レベルの「スプレー塗装」で薄膜を制御する

原子レベルの「スプレー塗装」で薄膜を制御するナノテクノロジー
酸化物薄膜を高精度で合成・測定することで、燃料電池で水を酸素に変換する機能などに、鉄がどのように影響するかを解明した。©Timothy Holland/Pacific Northwest National Laboratory

薄膜がなければ、現代の電子機器も高品質な鏡もありません。

私たちの携帯電話やパソコンに使われている半導体チップは、酸素に加えて少なくとも1種類の金属を含む金属酸化物など、さまざまな材料の薄膜に支えられています。

金属酸化物の薄膜は、単なる電子機器の層としてだけではありません。

センシング、触媒、エネルギー貯蔵などの用途があります。

電池の液体層を代替したり、特定の化学変化を促進したりする薄膜を作るには、材料を原子レベルで理解する必要があります。

パシフィックノースウェスト国立研究所(PNNL)では、クリーンエネルギーの生産に利用できる金属酸化物薄膜を設計する方法を研究しています。

PNNLの材料科学者でラボラトリーフェローのScott Chambers氏は、「私たちの仕事は、ターゲットに原子をスプレーで吹き付けるようなものだと思っています。」と語ります。

分子線エピタキシーと呼ばれる技術を用いて、固体結晶の上に元素を原子ごとに蒸着させています。

これにより、組成や構造を正確に制御した高品質の結晶性薄膜を作ることができます。

例えば、薄膜の中には常に電気を通すものと通さないものがあります。

異なる薄膜を重ねることで、電流に対する反応を変えることができます。

PNNLの材料科学者であるPeter Sushko氏は、「先進的なエネルギー技術を開発できるかどうかは、材料の薄い層をいかにうまく作れるかにかかっています。」と語ります。

非常に薄い酸化膜を高精度で作るには、高度な合成装置が必要です。

この装置は、PNNLのエネルギー科学センター(ESC)内の新しく大きな研究室に移されています。

Atomically Precise Materialsチームは現在、2台の分子線エピタキシー装置と1台のパルスレーザー堆積装置を使用しています。

今回、パルスレーザー堆積装置をもう1台追加することで、より多くのさまざまな実験用薄膜を作ることができるようになります。

薄膜の小さな変化が大きな影響を与える

PNNLの材料科学者であるLe Wang氏は、原子レベルで精密な薄膜を利用して安定した高性能触媒を作るという研究を主導しました。

その結果、ランタンニッケル鉄酸化物(LaNi1-xFexO3またはLNFO)薄膜の組成を変えると、水を酸素に変換する能力が変化することを発見しました。

この反応は、クリーンエネルギーの生産に重要です。

LNFOは、高価な貴金属ベースの触媒の必要性を低減したり、代替したりできる可能性があります。

これまでの研究で、ランタン・ニッケル酸化物のニッケルの一部を鉄に置き換えると、酸素生成能力が向上することが明らかになっています。

しかし、このような活性向上の正確な理由は不明であった。

X線光電子分光装置を使って合成した薄膜の組成や電子構造を測定するLe Wang氏。

X線光電子分光装置を使って合成した薄膜の組成や電子構造を測定するLe Wang氏。©Andrea Starr/Pacific Northwest National Laboratory

PNNLの研究チームは、高精度のフィルムと計測器を用いて、この不確実性に対処しました。

Nano Letters誌に掲載されたこの研究成果は、ニッケルと鉄を混合することで、なぜより効率的な酸素生成が可能になるのかについて、明確な証拠と説明を提供しています。

PNNLの研究者たちは、純粋なランタンニッケル酸化物からランタン鉄酸化物、さらにその中間の組成まで、一連の高品質なLNFO薄膜を合成しました。

また、高品質の標準試料を複数作成し、それらを同じ装置で測定しました。

その結果、材料の電子構造のわずかな、しかし重要な変化をとらえることができました。

この小さな変化は、電荷移動と呼ばれるプロセスで、鉄がその電子の一部をニッケルに移動させていることを示していました。

この電荷移動により、材料は水を酸素に変えることが容易になりました。

これまで見られなかったこの電荷移動を特定することで、LNFOがより優れた触媒として機能する理由を解明することができました。

原子レベルでの理解のためのモデリング

研究チームは、多面的なアプローチで研究を進めています。

新素材を合成し、その構造を実験室で解析します。

しかし、ベンチトップの実験では、詳細を明らかにすることに限界があります。

そこで、チームの秘密兵器ともいえるのが 「理論」です。

理論と実験を組み合わせることで、酸化物薄膜をより深く理解することができます。

計算モデルは、膜の表面で原子がどのように動くか、また、原子の直径よりも小さいスケールで電子がどのように再配置されるかを解明します。

今回のプロジェクトでは、シミュレーションしたLNFOの中の原子が、実験室で観察したのと同じように、電荷移動の微妙な兆候を示すかどうかを確認したいと考えました。

「Peter(Sushko)の計算結果が戻ってきて、それが我々の実験データと非常によく一致したときは、興奮しました。この結果は、LNFOにおける電荷移動の重要性についての我々の主張を実証するものでした。」とWang氏は言います。

薄膜の未来に向けて

これらの研究は、ESCの大きな窓に面した、視認性の高い研究スペースで続けられます。

ESCのロビーに来た人は誰でも、研究者が新しいサンプルを作っているところを見ることができます。

「今回の移転により、ESCを訪れる人に科学の世界を見せることができると思うとワクワクします。より大きな実験室と追加の機器に加えて、私たちは同じ建物で一緒に過ごせることを楽しみにしています。」とSushkoは語ります。

次の課題は?

研究チームは、同じ薄膜システムでランタンの一部をストロンチウムに置き換え、4種類の金属を含む酸化物を作ることを計画しています。

これにより、複雑な酸化物薄膜の構造や特性の変化をさらに理解することができます。

このようなプロセスを理解することは、さらに優れた触媒を設計するための新たな合成作業の指針となります。

Published by Pacific Northwest National Laboratory. Le Wang et al, Understanding the Electronic Structure Evolution of Epitaxial LaNi1–xFexO3 Thin Films for Water Oxidation, Nano Letters (2021). DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02901
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