Undersøgelse afslører nye karakteristika ved komplekse oxidoverflader

En ny kombination af mikroskopi og databehandling har givet forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory et hidtil uset blik på overfladen af ​​et materiale kendt for dets usædvanlige fysiske og elektrokemiske egenskaber.

Forskerholdet ledet af ORNL's Zheng Gai undersøgte, hvordan ilt påvirker overfladen af ​​en perovskit-manganit, et komplekst materiale, der udviser dramatisk magnetisk og elektronisk adfærd. Den nye vej til at forstå overfladeadfærd kan gavne forskere, der er interesserede i at bruge en bred vifte af korrelerede oxidmaterialer til applikationer såsom faste brændselsceller eller iltsensorer.

"Overfladeegenskaber er nøglen til enhver følsom applikation, fordi overfladen styrer interaktionen med omverdenen, " sagde medforfatter Art Baddorf.

Holdets resultater, udgivet i Naturkommunikation , understrege, hvorfor materialerne kaldes "stærkt korrelerede:" Fordi de kemiske og fysiske funktionaliteter er koblet, enhver mindre ændring kan påvirke hele systemet.

"Det er som om materialet har mange knopper, og hvis du fylder år, alle egenskaber ændres, " sagde Gai. "Du drejer på en anden knap, og det hele ændrer sig igen. Det viser sig, at overfladen er en anden knap - du kan bruge den til at ændre egenskaberne."

Forskerne brugte højopløsnings scanningstunnelmikroskopi til at generere billeder af manganitoverfladen - ned til niveauet 30 picometers. Et picometer er en trilliontedel af en meter. De behandlede derefter billeddataene for at bestemme hvert atoms position og beregne vinklerne mellem atomerne.

"At vide, hvor atomerne er placeret, viser, hvordan de interagerer, sagde Baddorf.

De resulterende "forvrængningskort" bragte strukturelle områder, kaldet domæner, til syne, som ikke var let at identificere i de rå billeder. Kortene viste tydeligt, hvordan tilstedeværelsen af ​​oxygenatomer tvang atomerne ind i et skakbrætmønster kendt som en Jahn-Teller-forvrængning. Gai siger, at holdets undersøgelse er første gang, fænomenet er blevet observeret på et materiales overflade.

"Oilten ændrer overfladeenergien totalt, " sagde Gai. "Når du introducerer ilt, elektronerne kan ikke lide at danne en ret linje; de zigzagger for at komme til en lavere energitilstand. Denne forvrængning er et meget almindeligt begreb i bulkmaterialer, men ingen har været i stand til at vise denne effekt på overfladen før."

Undersøgelsen er offentliggjort som "Kemisk induceret Jahn-Teller-bestilling på manganitoverflader." Medforfattere er ORNL's Wenzhi Lin, Paul Snijders, Thomas Ward, J. Shen, Stephen Jesse, Sergei Kalinin, og Arthur Baddorf; University of Nebraskas J.D. Burton og Evgeny Tsymbal; og IHI Corporations K. Fuchigami.

Denne forskning blev delvist udført ved Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science brugerfacilitet. DOE's Office of Science støttede forskningen. Arbejdet på University of Nebraska-Lincoln blev støttet af National Science Foundation.