Begrijpen hoe materialen zich vormen en met elkaar combineren, is belangrijk om betere apparaten voor het oogsten en opslaan van energie te ontwerpen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben het verlies van een enkele laag atomen direct in beeld gebracht in een fotokatalysator die is gemaakt door twee oxiden in lagen aan te brengen. Het team onderzocht de structuur van een enkele laag en die van de uiteindelijke composiet, vinden dat een vlak van atomen precies op de materiële grens verloren ging tijdens het syntheseproces. Het team toonde aan dat het oppervlak van het uitgangsmateriaal onstabiel is en drastisch kan veranderen in combinatie met een tweede laag.

"Deze onverwachte bevindingen openen de deur naar een geheel nieuwe manier om oxiden te beheersen, " legt hoofdauteur Dr. Steven Spurgeon uit, Pacific Northwest Nationaal Laboratorium.

Spurgeon en zijn collega's van het Pacific Northwest National Laboratory beantwoordden een vreemd raadsel over het gedrag van een materiaal dat zonlicht en water gebruikt om waterstof te maken. Het materiaal ondergaat een dynamische herschikking van atomen terwijl het zich vormt. Deze wijziging kan aanleiding geven tot een onverwachte interfacestructuur en eigenschappen. Met dit begrip, wetenschappers kunnen hun synthesemethoden ontwerpen om rekening te houden met groeidynamiek en de herstructurering van atomen. De resultaten kunnen leiden tot een nauwkeurigere controle van de eigenschappen en prestaties van belangrijke energiematerialen.

Vooruitgang in synthese en karakterisering hebben wetenschappers in staat gesteld materialen te fabriceren in veel verschillende structuren en chemie op bijna het niveau van één atoom. Echter, het is nog steeds moeilijk te voorspellen hoe twee materialen zullen interageren, omdat er veel soorten defecten tussen kunnen ontstaan. Omdat de structuur van materialen direct hun eigenschappen bepaalt, het is belangrijk dat wetenschappers precies kunnen afstemmen hoe materialen zich vormen en met elkaar in verbinding staan. In dit onderzoek, PNNL-onderzoekers onderzochten dunne film lanthaanijzeroxide en strontiumtitaanoxide, LaFeO3 (LFO) en SrTiO3 (STO), respectievelijk, samen gelaagd om een ​​fotokatalysator te produceren voor het splitsen van zonnewater.

De onderzoekers behandelden eerst de STO-laag om deze af te dekken met ofwel een strontiumoxide (SrO) vlak of een titaniumdioxide (TiO2) vlak, die ze bevestigden met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie. Ze legden een LFO-laag bovenop de STO af met behulp van moleculaire bundelepitaxie en beeldden de resulterende structuur af met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie en elektronenenergieverliesspectroscopie. Vreemd, hun elektronenergieverliesspectroscopiemetingen toonden aan dat beide monsters een TiO2-interfacevlak hadden en dat de SrO-laag tijdens het syntheseproces was verdwenen. De onderzoekers voerden dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit voor verschillende atomaire configuraties van de interface, vonden dat de SrO-laag minder stabiel was dan TiO2 en dat deze verloren kon gaan door zuurstofvacatures te vormen. Deze studie illustreert hoe materialen zich vormen via complexe kinetische paden en dat door gebruik te maken van dynamische structurele herschikking, misschien is het mogelijk om nieuwe te maken, nooit eerder vertoonde materialen en eigenschappen.