術(shù)語(yǔ)合金通常是指幾種金屬的混合物。但是，其他材料也可以合金化。例如，在半導(dǎo)體工業(yè)中，氧化物和氮化物合金長(zhǎng)期以來(lái)一直被成功地用于調(diào)整材料的功能特性。通常這些變化逐漸發(fā)生，基材的性質(zhì)仍然易于識(shí)別。

然而，如果混合其晶體結(jié)構(gòu)完全不匹配的化合物，則形成“異質(zhì)結(jié)構(gòu)合金”。在這些合金中，結(jié)構(gòu)根據(jù)組分的混合比而變化。有時(shí)，這會(huì)產(chǎn)生令人驚訝的特性，這些特性與基礎(chǔ)材料的特性明顯不同。Empa研究員塞巴斯蒂安·西爾(Sebastian Siol)感興趣的就是這些氧化物合金。他不僅想要發(fā)現(xiàn)它們，還能讓它們用于日常生活。在尋找所需材料的過(guò)程中，他必須同時(shí)關(guān)注幾種材料特性，例如結(jié)構(gòu)，電子特性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

Siol去年加入了Empa。此前，他在科羅拉多州戈?duì)柕鞘械膰?guó)家可再生能源研究實(shí)驗(yàn)室(NREL)進(jìn)行了研究，在那里他留下了一個(gè)著名的出版物：具有“負(fù)壓”的合金。他和他的同事一起使用冷蒸汽技術(shù)(磁控濺射)混合硒化錳和碲化錳。在某些比例下，基礎(chǔ)材料合并形成對(duì)兩種組分都“不舒服”的晶格。兩個(gè)合作伙伴都不會(huì)強(qiáng)迫它最喜歡的晶體結(jié)構(gòu)，它更喜歡純粹的狀態(tài)，而另一個(gè)。

由此產(chǎn)生的折衷是一個(gè)新階段，通常只會(huì)在“負(fù)壓”下形成 - 即當(dāng)材料永久暴露于張力時(shí)。這些材料在正常條件下極難生產(chǎn)。Siol和他在NREL的同事設(shè)法克服了這個(gè)難題?，F(xiàn)在可以通過(guò)此方法訪問(wèn)的新材料顯示了許多有用的屬性。例如，它是壓電的。換句話說(shuō)，它可用于發(fā)電，產(chǎn)生探測(cè)器 - 或進(jìn)行半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)，這是純基礎(chǔ)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

研究穩(wěn)定的系統(tǒng)

在Empa，Siol將帶來(lái)他制造“不可能”氧化物合金的經(jīng)驗(yàn)。他的目的是發(fā)現(xiàn)具有可變結(jié)構(gòu)的氧化物混合物，從而使它們穩(wěn)定到適合日常使用的程度。由Lars Jeurgens領(lǐng)導(dǎo)的連接技術(shù)與腐蝕實(shí)驗(yàn)室在穩(wěn)定氧化層和合金的實(shí)際應(yīng)用方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。最初的重點(diǎn)是由鈦和氧化鎢制成的混合氧化物，這可能是窗戶涂料，半導(dǎo)體技術(shù)或傳感器技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)。Siol的同事Claudia Cancellieri多年來(lái)一直在研究氧化物界面的電子特性，并為該項(xiàng)目貢獻(xiàn)了自己的專業(yè)知識(shí)。

“材料組合非常令人興奮，”Siol解釋道。氧化鈦非常穩(wěn)定，可用于太陽(yáng)能電池，墻面涂料和牙膏。另一方面，鎢氧化物相對(duì)不穩(wěn)定，用于智能窗，氣體傳感器或石油化學(xué)中的催化轉(zhuǎn)化器。“在過(guò)去，研究通常只關(guān)注優(yōu)化材料特性，”Siol說(shuō)。“然而，至關(guān)重要的是，該材料可在相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域中使用多年。” 例如，這對(duì)于電致變色窗中的半導(dǎo)體涂層是重要的，其在侵蝕性環(huán)境中必須持續(xù)數(shù)十年，暴露于陽(yáng)光和溫度波動(dòng)。Empa的研究人員正在尋求這種長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

為了生產(chǎn)這些氧化物相，Siol和他的同事使用不同的工業(yè)可擴(kuò)展技術(shù)：在管式爐或電解質(zhì)溶液中控制金屬薄膜的氧化，以及反應(yīng)濺射，其中金屬在沉積過(guò)程中直接氧化。迄今為止基礎(chǔ)研究的“不可能”氧化物合金因此逐漸變得對(duì)工業(yè)應(yīng)用而言是有形的。