Manipulering af jordrige materialer for at udnytte solens energi

Aflejring af et lag atomer ad gangen kan resultere i materialer, der i høj grad forbedrer brændselsceller, batterier og andre enheder. I denne forskning, videnskabsmænd tilføjede præcist krom til jernoxider for at kontrollere de elektroniske og optiske egenskaber. Resultatet var en meget velordnet tynd film af chromferrit (Fe ₂ CrO ₄ ). Chromferrit bliver mere elektrisk ledende ved at absorbere lys. Materialet kan være nyttigt til vitale solprocesser, såsom vandspaltning for at lave brint til brændstof, kølevæsker og meget mere.

Forskningen giver indsigt i, hvordan man designer og fremstiller materialer med nye ydeevneegenskaber. For eksempel, videnskabsmænd kunne bruge de uventede optiske egenskaber af kromferritfilm til at producere brint fra vand og sollys. Brint er afgørende i kemisk industri og olieindustri og som kølemiddel. Yderligere, brint er i stigende grad populært som brændstof til transport eller til produktion af elektricitet.

I denne forskning, videnskabsmænd brugte molekylær stråleepitaksi til at afsætte præcist bestemte mængder jern (Fe), krom (Cr) og oxygen (O) atomer til at lave materialer, der blev forudsagt at have forskellige grader af elektrisk ledningsevne, lige fra stærkt ledende til elektrisk isolerende. Efterforskerne lavede Fe ₃ O ₄ (et halvmetal), Fe ₂ CrO ₄ (en halvleder) og FeCr ₂ O ₄ (en isolator). Denne undersøgelse afklarede de ledende egenskaber af disse jernchromoxider, viser hvordan elementernes positioner i krystalgitteret, oxidationstilstand eller ladning (for kationerne), og elektronernes evne til at bevæge sig inden for strukturen resulterede i deres respektive ledende egenskaber.

Strukturen af ​​Fe ₂ CrO ₄ viste sig at være en spinel, at have Fe i de tetraedriske positioner, men både Cr og Fe i de oktaedriske positioner. Fe viste sig at være i en af ​​to oxidationstilstande, +2 eller +3, men Cr viste sig kun at have en +3 ladning. Som resultat, elektroner kunne hoppe mellem Fe-kationer på tetraedriske og oktaedriske steder. Imidlertid, holdet fandt, at ledningsevnen var lavere end i Fe ₃ O ₄ , hvor elektroner frit kan hoppe mellem Fe ² + og Fe ³ + på oktaedriske steder. I tilfældet FeCr ₂ O ₄ , Fe er kun til stede som en 2+ kation.

Som resultat, der er ingen måde for elektroner at hoppe fra Fe til Fe, og materialet er en elektrisk isolator. Holdet viste, at Fe ₂ CrO ₄ absorberer synligt lys, hvilket fører til forbedret elektrisk ledningsevne, eller fotokonduktivitet. De optiske og elektroniske egenskaber af Fe ₂ CrO ₄ tyder på, at dette materiale kunne være nyttigt til vigtige fotoelektrokemiske solenergiprocesser såsom vandspaltning.