Fjernelse af lagene af tyndfilmstruktur og kemi

Perovskitter - ethvert materiale med samme struktur som calciumtitaniumoxid (CaTiO3) - fortsætter med at lokke materialeforskere med deres ferroelektricitet, ferromagnetisme, katalytisk aktivitet, og oxygen-ion ledningsevne. I de seneste år, videnskabsfolk indså, at de kunne forbedre perovskites egenskaber ved at samle dem i tynde film. Problemet var, at ingen forstod, hvorfor tynde film slog bulkmaterialer ud.

Forskere fik ny indsigt i tyndfilmsoverlegenhed ved at undersøge strukturen af ​​perovskitter på X-ray Science Division 33-ID-D, E røntgenstråle ved US Department of Energy's Advanced Photon Source (APS), Argonne National Laboratory. De brugte en banebrydende tilgang til at drille tyndfilmstrukturen og kemien lag for lag fra hinanden.

Da forskerne skrællede lagene tilbage, de fandt ud af, i stedet for at have en ensartet fordeling af elementer, der var drastiske forskelle i sammensætning mellem tyndfilmlagene. Denne observation kan hjælpe forskere med at designe tyndfilmsperovskitter med øget aktivitet og stabilitet.

Industrielle applikationer til perovskiter, som effektivt reducerer ilt, omfatte omdannelse af energi fra fossile brændstoffer til elektricitet, iltrensning, og elektrokatalyse. Forskergruppen, fra Massachusetts Institute of Technology, Hebraisk universitet (Israel), Argonne National Laboratory, og Oak Ridge National Laboratory undersøgte LSCO tynde film - perovskitter fremstillet af lanthan, strontium, kobolt, og oxygen (LSCO) - som et modelsystem til at studere, hvorfor tynde film har større reducerende kraft end deres bulk-modstykker.

Forskerne studerede to 4-nm LSCO tynde film på APS, en brugerfacilitet fra DOE Office of Science; en udglødet tynd film var tidligere blevet opvarmet til 550 ° C i en time for at simulere virkelige industrielle indstillinger, mens den anden, som deponerede tynde film blev efterladt ved omgivelsestemperaturer.

Forskerne indsamlede derefter diffraktionsintensiteter langs 10 forskellige gensidige rumobjekter, kaldet "Bragg stænger, " defineret af substratet. De brugte Coherent Bragg Rod Analysis (COBRA) til at bestemme den tredimensionelle (3-D) atomare struktur af hvert tyndfilmlag, med højere toppe på kortet, hvilket indikerer et grundstof med et større antal elektroner, giver forskerne mulighed for at differentiere elementer på forskellige steder i LSCO tyndfilmene.

Men COBRA giver ikke alene oplysninger om fordelingen af ​​grundstoffer, der indtager det samme atomsted i lagene. Derfor, forskerne anvendte en anden metode kaldet "energidifferentiale COBRA, "nemlig, udførelse af COBRA-målinger langs Bragg-stænger ved at variere de indfaldende røntgenenergier omkring strontium K-kanten ved hvert gensidigt rumpunkt. Denne tilgang gav den absolutte strontium-besættelsesfraktion på en lag-for-lag måde.

Slutresultatet af at kombinere konventionel COBRA med energidifferentiale COBRA var højopløselige (sub-angstrom) 3-D atombilleder af LSCO tynde film, der indeholdt information om elementær distribution.

3-D atombillederne viste tydeligt, at strontium havde en tendens til at klynge sig sammen i de ydre lag af LSCO tyndfilmene, mens lanthan udfyldte disse positioner i de dybere lag af filmen. Strontium er næsten fuldstændig fraværende i de tynde lag tættest på substratet.

Forskerne formoder, at overfladestrontiumsegregering observeret i LSCO tynde film kan forklare, hvorfor de udkonkurrerer bulkmaterialer. Lanthanum og strontium har forskellige ladninger, sådan at hvis et lag har mere strontium, det skal også have mindre ilt, eller flere ilt ledige pladser. En mangel på ilt i et tyndt film ydre lag, hvor strontium viste sig at være rigeligt, betyder, at materialet kan have flere muligheder for at reagere med ilt på overfladen, forklarer den forbedrede ydelse.

Strukturen og kemien af ​​de glødede og som deponerede tynde film var ens, tyder på, at varmen i sig selv ikke ændrer materialets struktur eller aktivitet. I fremtidige forsøg, forskerne vil studere tynde film, der udsættes for hårdere forhold i den virkelige verden. De sigter også mod at bruge indsigten opnået fra Advanced Photon Source til at designe bedre perovskitmaterialer i fremtiden.