Команда экспериментаторов и ученых во главе с Тимом Штробелем Карнеги и Венката Бхадрамом синтезировала длинную популярную форму нитрида титана Ti3N4, которая обладает многообещающими механическими и оптоэлектронными свойствами.
Стандартный нитрид титана (TiN) с отношением «один к одному» титана и азота имеет кристаллическую структуру, похожую на кристаллическую структуру поваренной соли — хлорид натрия или NaCl. Это металл с абразивными свойствами и, таким образом он используется для нанесения покрытий и изготовления электродов.
Нитрид титана с отношением титана и азота «три к четырем», называемый титановым нитридом, оставался неуловимым, несмотря на предыдущие теоретические предсказания его существования и тот факт, что нитриды с этим соотношением были идентифицированы для других членов группы титана в периодической таблице, включая цирконий.
Команда исследователей взяла на себя решение этой задачи.
Они создали Ti3N4 в кубической кристаллической фазе с использованием лазерной насадки на основе алмаза, которая обеспечила давление в 740 000 раз большее нормального атмосферного давления (74 гигапаскаля) и при температуре около 2200 градусов по Цельсию (2500 кельвинов). Продвинутые рентгеновские и спектроскопические инструменты подтвердили кристаллическую структуру, созданную командой в этих условиях, и теоретические расчеты на основе модели позволили им предсказать термодинамическую природу и физические свойства Ti3N4.
Стандартный нитрид титана TiN является металлическим, что означает, что он может проводить поток электронов, который составляет электрический ток. Но кубический Ti3N4 является полупроводником, что означает, что он может включать и выключать свою электропроводность. Эта возможность чрезвычайно полезна в электронных устройствах. Полупроводники на основе титана особенно популярны в качестве катализаторов солнечных реакций расщепления воды для получения водорода, чистого источника возобновляемой энергии.
Такая возможность включения и выключения электропроводности возможна, поскольку некоторые из электронов полупроводника могут переходить из низкоэнергетических изолирующих состояний в проводящие состояния более высоких энергий при воздействии энергии. Энергия, необходимая для инициирования этого прыжка, называется запрещенной зоной*. Ширина полосы для кубического Ti3N4 больше, чем ожидалось, исходя из предыдущих предсказаний модели. Кроме того, как ожидается, металлический TiN, Ti3N4 проявит отличные механические и износостойкие свойства.
«Насколько нам известно, это первый экспериментальный отчет о полупроводниковом нитриде титана», — сказал ведущий автор Венката Бхадрам. «Мы считаем, что эта работа будет стимулировать дальнейшие экспериментальные и теоретические усилия по разработке новых способов расширения синтеза Ti3N4 при атмосферном давлении».
*Запрещённая зо́на — термин из физики твердого тела — зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Этот диапазон называют шириной запрещённой зоны и обычно численно выражают в электрон-вольтах.
Больше информации: Venkata S. Bhadram et al. Semiconducting cubic titanium nitride in the Th3P4 structure, Physical Review Materials (2018). DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.2.011602