Materials Today：多元纳米结构功能薄膜的组合生长

第一作者：Hannah-Noa Barad

通讯作者：Peer Fischer

通讯单位：马克斯·普朗克智能系统研究所，斯图加特大学

DOI：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.06.001

背景

材料组成、微纳米结构以及化学状态是决定许多高性能材料系统功能的重要参数。研究表明，增加组成元素的数量会影响发光、电催化等性质，例如超导电性，其中多元元素体系表现出更高的临界温度。因此，快速生成具有多维梯度的材料对于发现新的功能材料具有重要意义。

本文研究的问题

本文报道了一种基于掠射角物理气相沉积的集成材料制备方案，以在单个大面积衬底上形成纳米形状、多组分和氧化态可控变化的薄膜材料。本文通过生长一个八元材料体系来展示该方法的多功能性，用高通量方法对该体系进行了表征，并揭示了几个物理化学性质的变化。其中，本文在放氧反应的框架下研究该了材料，并表明纳米结构导致了对这种NiO团簇在反应中是活跃的。本文的方案可以很容易地扩展到包括更多的起始元素，并可以转移到其他沉积方法，使其成为组合材料科学的一个适应性和通用性强的平台。

图1|CMS-GREAD系统设置图解。

要点：

• 本文的方法如图1a所示，对电子束(电子束)PVD真空系统进行了修改，以纳入材料源相对于衬底放置中心在x轴(前视图)上的离轴定位，这对于形成不对称的蒸气通量至关重要。在源和基板之间设置了一个屏障，该屏障与基板倾斜和旋转的自动快门能力相结合。要获得线性梯度，材料源和衬底必须以y轴为中心。
• 通过基于模拟的优化，我们能够在50 mm的衬底长度上产生线性梯度，这在图1b中得到了实验验证。
• 第二个障碍物被放置在第一个障碍物对面的相邻源上，使材料以不对称的蒸汽通量撞击衬底(图1c)，从而形成二元材料体系。

图2|八元材料库的纳米结构。

要点：

• 每种材料的最大梯度位于样品的边缘，并在样品示意图中标出，图2a居中。
• 尽管材料和形状多种多样，该方法仍可用于获得可复制的结构。图2b强调了这种ML生长方案的重现性。我们总共存放了10个样品，并对其中几个样品进行了透射电子显微镜(TEM)检查。

图3|八元素材库的组成。

要点

• 本文表征了整个ML以及单个纳米结构中的成分分布。图3a显示了ML中每种元素的能量色散X射线光谱(EDS)分数组成，取自衬底上的不同材料边缘。
• 每个边的各个纳米形状的元素映射(图3b)清楚地显示了每个纳米形状中各个元素的位置。它还揭示了沉积在二元子层中的元素之间的一些(但不是全部)相互扩散，以及三个不同子层之间的元素的一些相互扩散。

图4|材料库中化学状态的XPS分析。

要点：

• 在研究了ML中纳米形状和材料成分的广泛变化后，进行了XPS测量，以评估整个库中不同元素的化学状态。XPS分析在ML上的9个点上进行，如图4a的示意图所示。
• 有趣的是，Cr⁺³和Cr⁺⁶之间的比例随着远离的Cr_e(图4b)而变化，从Cr⁺³：Cr⁺⁶的8：1(在测量点7)开始，到距离Ce_e(最低Cr组分)最远的点，即Co_e(点3)，该比例变化到0.8：1，这时Cr⁺⁶成为更主要的粒子。

图5|OER材料库的电催化测量。

要点：

• 接下来，本文用LSV和循环伏安法(CV)评估了OER在ML库的不同点的电催化性能，如图5a所示.
• 从整个ML(图5b)上测量的25个点的矩阵可以看出，n₁₀保持相对恒定，在55V和0.51V之间。这一结果乍一看是违反直觉的，因为由于化学成分的变化，预计整个ML的过电位变化略大，因此这一结果依然是合理的。

结语

本文提出了一种在一次实验中获得成分、纳米形状和氧化态连续变化的材料的通用和可重复性的方法。这项技术是基于CMS与掠射角物理气相沉积相结合的，通过适当的测量、计算和组件，可以潜在地适用于其他PVD系统。本文通过存放一个八元ML来研究这一概念。不同边缘的表面纳米结构和单个纳米形状在整个文库中差异很大、重复性很高、成分变化很大并且不同的物质会相互渗透。一些材料的氧化状态在ML中不同，它们的比例取决于它们在库中的位置。对ML的OER电催化性能的研究表明，嵌入在纳米结构中的NiO纳米团簇是OER的活性催化剂，其具有相对较低的过电位，这既受纳米团簇的影响也受化学环境的影响。

本文由SSC供稿。