Udnyttelse af tabte atomer kan hjælpe med at skabe nye, aldrig før sete oxider

At forstå, hvordan materialer dannes og kombineres med hinanden, er vigtigt for at designe bedre energihøst- og -lagringsenheder. Nu, forskere har direkte afbildet tabet af et enkelt lag atomer i en fotokatalysator skabt ved at lægge to oxider i lag. Holdet undersøgte strukturen af ​​et enkelt lag og det endelige kompositmateriale, fandt ud af, at et plan af atomer lige ved materialegrænsen gik tabt under synteseprocessen. Holdet viste, at udgangsmaterialets overflade er ustabil og kan dramatisk omkonfigurere, når den kombineres med et andet lag.

"Disse uventede fund åbner døren til en helt ny måde at kontrollere oxider på, " forklarer hovedforfatter Dr. Steven Spurgeon, Pacific Northwest National Laboratory.

Spurgeon og hans kolleger ved Pacific Northwest National Laboratory besvarede en mærkelig gåde om opførselen af ​​et materiale til at bruge sollys og vand til at skabe brint. Materialet gennemgår en dynamisk omlejring af atomer, mens det dannes. Denne ændring kan give anledning til en uventet grænsefladestruktur og egenskaber. Med denne forståelse, videnskabsmænd kan designe deres syntesemetoder til at tage højde for vækstdynamik og omstrukturering af atomer. Resultaterne kunne føre til mere præcis kontrol af egenskaberne og ydeevnen af ​​vigtige energimaterialer.

Fremskridt inden for syntese og karakterisering har gjort det muligt for forskere at fremstille materialer i mange forskellige strukturer og kemier på næsten enkeltatomniveau. Imidlertid, det er stadig svært at forudsige, hvordan to materialer vil interagere, fordi der kan dannes mange typer defekter imellem dem. Fordi materialernes struktur direkte styrer deres egenskaber, det er vigtigt for forskere at være i stand til præcist at afstemme, hvordan materialer dannes og forbindes med hinanden. I dette studie, PNNL forskere undersøgte tyndfilm lanthan jernoxid og strontium titanium oxid, LaFeO3 (LFO) og SrTiO3 (STO), henholdsvis, lagdelt sammen for at producere en fotokatalysator til solvandsspaltning.

Forskerne behandlede først STO-laget for at dække det med enten et strontiumoxid (SrO)-plan eller et titaniumdioxid- (TiO2)-plan, hvilket de bekræftede ved hjælp af røntgenfotoelektronspektroskopi. De aflejrede et LFO-lag oven på STO'et ved hjælp af molekylær stråleepitaksi og afbildede den resulterende struktur ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi og elektronenergitabsspektroskopi. Mærkeligt nok, deres elektronenergitabsspektroskopi-målinger viste, at begge prøver havde et TiO2-grænsefladeplan, og at SrO-laget var forsvundet under synteseprocessen. Forskerne udførte tæthedsfunktionelle teoriberegninger for forskellige atomare konfigurationer af grænsefladen, fandt ud af, at SrO-laget var mindre stabilt end TiO2, og at det kunne gå tabt ved at danne ilttomrum. Denne undersøgelse illustrerer, hvordan materialer dannes gennem komplekse kinetiske veje, og det ved at udnytte dynamisk strukturel omarrangering, det kan være muligt at lave nyt, aldrig før sete materialer og egenskaber.