在原子水平上拉伸金属使研究人员能够为量子应用创造重要材料

明尼苏达大学双城分校领导的一个团队开发了一种首创的突破性方法，可以更轻松地从历史上难以以原子精确方式合成的“顽固”金属中制造高质量的金属氧化物薄膜。这项研究为科学家为各种下一代应用开发更好的材料铺平了道路，包括量子计算、微电子、传感器和能量催化。

研究人员的论文发表在Nature Nanotechnology上。

“这是一个真正了不起的发现，因为它揭示了一种无与伦比的简单方法，通过利用外延应变的力量在原子尺度上导航材料合成，”该论文的资深作者，明尼苏达大学化学工程与材料科学系教授兼壳牌Bharat Jalan说。

“这一突破代表着一项重大进步，在广泛的领域具有深远的影响。它不仅提供了一种实现原子精确合成量子材料的方法，而且还具有控制各种应用中氧化还原途径的巨大潜力，包括电池或燃料电池中发生的催化和化学反应。

“顽固”金属氧化物，例如基于钌或铱的氧化物，在量子信息科学和电子学的众多应用中起着至关重要的作用。然而，由于使用高真空工艺氧化金属存在固有的困难，将它们转化为薄膜对研究人员来说是一个挑战。

几十年来，这些材料的制造一直困扰着材料科学家。虽然一些研究人员已经成功地实现了氧化，但迄今为止使用的方法成本高昂，不安全，或导致材料质量差。

明尼苏达大学研究人员的解决方案?伸展一下。

在尝试使用传统的分子束外延(一种在超高真空室中产生单层材料的低能量技术)合成金属氧化物时，研究人员偶然发现了一个突破性的启示。他们发现，结合一种称为“外延应变”的概念 - 有效地在原子水平上拉伸金属 - 显着简化了这些顽固金属的氧化过程。

“这使得在超高真空气氛中从顽固金属中创造出技术上重要的金属氧化物，这是一个长期存在的问题，”该论文的第一作者，明尼苏达大学化学工程博士生Sreejith Nair说。“目前的合成方法有局限性，我们需要找到新的方法来进一步推动这些极限，以便我们能够制造出质量更好的材料。我们在原子尺度上拉伸材料的新方法是提高当前技术性能的一种方法。

尽管明尼苏达大学的研究小组在本文中使用铱和钌作为例子，但他们的方法有可能产生任何难以氧化的金属的原子精确氧化物。通过这一突破性的发现，研究人员旨在使世界各地的科学家能够合成这些新材料。

研究人员与奥本大学，特拉华大学，布鲁克海文国家实验室，阿贡国家实验室以及明尼苏达大学化学工程与材料科学系教授Andre Mkhoyan实验室的合作者密切合作，以验证他们的方法。

“当我们使用非常强大的电子显微镜非常仔细地观察这些金属氧化物薄膜时，我们捕获了原子的排列并确定它们的类型，”Mkhoyan 解释说。“果然，它们被很好地、周期性地排列，因为它们应该在这些晶体薄膜中。

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