Multimodal billeddannelse viser, at stamme kan drive kemi i et fotovoltaisk materiale

En unik kombination af billedværktøjer og simuleringer på atomniveau har gjort det muligt for et hold ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory at løse en langvarig debat om egenskaberne af et lovende materiale, der kan høste energi fra lys.

Forskerne brugte multimodal billeddannelse til at "se" nanoskala-interaktioner i en tynd film af hybrid organisk-uorganisk perovskit, et materiale anvendeligt til solceller. De fastslog, at materialet er ferroelastisk, hvilket betyder, at det kan danne domæner af polariseret belastning for at minimere elastisk energi. Dette fund var i modstrid med tidligere antagelser om, at materialet er ferroelektrisk, hvilket betyder, at det kan danne domæner af polariseret elektrisk ladning for at minimere elektrisk energi.

"Vi fandt ud af, at folk blev vildledt af det mekaniske signal i standard elektromekaniske målinger, resulterer i en fejlfortolkning af ferroelektricitet, " sagde Yongtao Liu fra ORNL, hvis bidrag til studiet blev et fokus for hans ph.d. afhandling ved University of Tennessee, Knoxville (UTK).

Olga Ovchinnikova, der ledede eksperimenterne ved ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), tilføjet, "Vi brugte multimodal kemisk billeddannelse - scanningprobemikroskopi kombineret med massespektrometri og optisk spektroskopi - for at vise, at dette materiale er ferroelastisk, og hvordan ferroelasticiteten driver kemisk adskillelse."

Fundene, rapporteret i Naturmaterialer , afslørede, at differentielle stammer får ioniserede molekyler til at migrere og segregere inden for områder af filmen, resulterer i lokal kemi, der kan påvirke transporten af ​​elektrisk ladning.

Den forståelse, som denne unikke suite af billedbehandlingsværktøjer muliggør, giver forskere mulighed for bedre at korrelere struktur og funktion og finjustere energi-høstende film for forbedret ydeevne.

"Vi vil forudsigeligt lave korn af bestemte størrelser og geometrier, " sagde Liu. "Geometrien kommer til at kontrollere belastningen, og stammen kommer til at kontrollere den lokale kemi."

Til deres eksperiment, forskerne lavede en tynd film ved at spin-caste en perovskit på et indium-tinoxid-belagt glassubstrat. Denne proces skabte den ledende, en gennemsigtig overflade, som en fotovoltaisk enhed ville have brug for, men også genereret belastning. For at lindre belastningen, der dannes små ferroelastiske domæner. En type domæne var "korn, " som ligner det, du kan se flyve over landbrugsjord med pletter af forskellige afgrøder skævt i forhold til hinanden. Inden for korn, dannede underdomæner, svarende til rækker af to plantetyper, der veksler i en plet landbrugsjord. Disse tilstødende, men modstående rækker er "tvillingdomæner" af adskilte kemikalier.

Den teknik, som videnskabsmænd tidligere brugte til at hævde, at materialet var ferroelektrisk, var piezoresponskraftmikroskopi ("piezo" betyder "tryk), hvor spidsen af ​​et atomkraftmikroskop (AFM) måler en mekanisk forskydning på grund af dens kobling med elektrisk polarisation - nemlig, elektromekanisk forskydning. "Men du måler faktisk ikke den sande forskydning af materialet, " Ovchinnikova advarede. "Du måler afbøjningen af ​​hele dette 'dykkerbræt' af cantileveren." Derfor, forskerne brugte en ny måleteknik til at adskille cantilever-dynamik fra forskydning af materialet på grund af piezorespons - Interferometric Displacement Sensor (IDS) mulighed for Cypher AFM, udviklet af medforfatter Roger Proksch, direktør for Oxford Instruments Asylum Research. De fandt ud af, at responsen i dette materiale er fra cantilever-dynamik alene og ikke er en ægte piezorespons, beviser, at materialet ikke er ferroelektrisk.

"Vores arbejde viser, at den effekt, man tror på grund af ferroelektrisk polarisering, kan forklares ved kemisk adskillelse, " sagde Liu.

Undersøgelsens forskellige mikroskopi- og spektroskopimålinger gav eksperimentelle data til at validere simuleringer på atomniveau. Simuleringerne giver forudsigelig indsigt, der kan bruges til at designe fremtidige materialer.

"Vi er i stand til at gøre dette på grund af det unikke miljø på CNMS, hvor vi har karakterisering, teori og syntese alt under ét tag, "Ovchinnikova sagde. "Vi brugte ikke kun massespektrometri, fordi [det] giver dig information om lokal kemi. Vi brugte også optisk spektroskopi og simuleringer til at se på molekylernes orientering, hvilket er vigtigt for at forstå disse materialer. Sådan en sammenhængende kemisk billeddannelsesevne hos ORNL udnytter vores funktionelle billeddannelse."

Samarbejde med industrien gør det muligt for ORNL at have unikke værktøjer til rådighed for forskere, herunder dem, der afgjorde debatten om den sande natur af lyshøstmaterialet. For eksempel, et instrument, der bruger heliumionmikroskopi (HIM) til at fjerne og ionisere molekyler, blev koblet sammen med en sekundær ionmassespektroskopi (SIMS) for at identificere molekyler baseret på deres vægt. HIM-SIMS-instrumentet ZEISS ORION NanoFab blev gjort tilgængeligt for ORNL fra udvikleren ZEISS til beta-testning og er et af kun to sådanne instrumenter i verden. Tilsvarende IDS-instrumentet fra Asylum Research, som er et laser Doppler-vibrometer, blev også gjort tilgængelig for ORNL til beta-testning og er den eneste, der eksisterer.

"Oak Ridge National Laboratory-forskere passer naturligvis godt til at arbejde med industrien, fordi de besidder enestående ekspertise og først er i stand til at bruge værktøjerne, som de er beregnet til, " sagde Proksch fra Asylum. "ORNL har en facilitet [CNMS], der gør instrumenter og ekspertise tilgængelig for mange videnskabelige brugere, som kan teste værktøjer på forskellige problemer og give stærk feedback under beta-testning, efterhånden som leverandører udvikler og forbedrer værktøjerne, i dette tilfælde vores nye IDS metrologiske AFM."