Perovskieten - elk materiaal met dezelfde structuur als calciumtitaniumoxide (CaTiO3) - blijven materiaalwetenschappers verleiden met hun ferro-elektriciteit, ferromagnetisme, Katalytische activiteit, en zuurstof-ionen geleidbaarheid. In recente jaren, wetenschappers realiseerden zich dat ze de eigenschappen van perovskieten enorm konden verbeteren door ze in dunne films te assembleren. Het probleem was dat niemand begreep waarom dunne films beter waren dan bulkmaterialen.

Onderzoekers kregen nieuw inzicht in dunnefilmsuperioriteit door de structuur van perovskieten te onderzoeken bij de X-ray Science Division 33-ID-D, E x-ray beamline bij het Amerikaanse Department of Energy's Advanced Photon Source (APS), Argonne Nationaal Laboratorium. Ze gebruikten een baanbrekende aanpak om de dunnefilmstructuur en chemie laag voor laag uit elkaar te halen.

Terwijl de onderzoekers de lagen afpelden, dat vonden ze, in plaats van een uniforme verdeling van elementen, er waren drastische verschillen in samenstelling tussen de dunne-filmlagen. Deze observatie kan onderzoekers helpen bij het ontwerpen van dunnefilmperovskieten met verbeterde activiteit en stabiliteit.

Industriële toepassingen voor perovskieten, die efficiënt zuurstof verminderen, omvatten de omzetting van energie van fossiele brandstoffen naar elektriciteit, zuurstof zuivering, en elektrokatalyse. Het onderzoeksteam, van het Massachusetts Institute of Technology, Hebreeuwse Universiteit (Israël), Argonne Nationaal Laboratorium, en Oak Ridge National Laboratory bestudeerden dunne LSCO-films - perovskieten gemaakt van lanthaan, strontium, kobalt, en zuurstof (LSCO) - als een modelsysteem om te bestuderen waarom dunne films een groter reducerend vermogen hebben dan hun bulktegenhangers.

De onderzoekers bestudeerden twee 4-nm LSCO dunne films bij het APS, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit; een gegloeide dunne film was eerder een uur verwarmd tot 550 ° C om echte industriële instellingen te simuleren, terwijl de andere als afgezette dunne film bij omgevingstemperatuur werd gelaten.

De onderzoekers verzamelden vervolgens diffractie-intensiteiten langs 10 verschillende wederzijdse ruimtevoorwerpen, genaamd "Bragg staven, " gedefinieerd door het substraat. Ze gebruikten Coherent Bragg Rod Analysis (COBRA) om de driedimensionale (3D) atomaire structuur van elke dunne-filmlaag te bepalen, met hogere pieken in de kaart die wijzen op een element met een groter aantal elektronen, waardoor de onderzoekers elementen op verschillende locaties binnen de dunne LSCO-films konden onderscheiden.

Maar COBRA alleen geeft geen informatie over de verdeling van elementen die dezelfde atomaire plaats in de lagen innemen. Daarom, de onderzoekers pasten een tweede methode toe genaamd "energie differentiële COBRA, " namelijk, het uitvoeren van COBRA-metingen langs Bragg-staven door de invallende röntgenstralingsenergieën rond de strontium K-rand op elk wederzijds ruimtepunt te variëren. Deze benadering leverde de absolute strontiumbezettingsfractie laag voor laag op.

Het eindresultaat van het combineren van conventionele COBRA met energiedifferentiële COBRA waren 3D-atoombeelden met hoge resolutie (sub-angstrom) van de dunne LSCO-films die informatie bevatten over elementaire distributie.

De 3D-atoombeelden toonden duidelijk aan dat strontium de neiging had zich te clusteren in de buitenste lagen van de dunne LSCO-films, terwijl lanthaan die posities in de diepere lagen van de film vulde. Strontium is vrijwel geheel afwezig in de dunne-filmlagen die zich het dichtst bij het substraat bevinden.

De onderzoekers vermoeden dat strontiumsegregatie aan het oppervlak die in de dunne LSCO-films wordt waargenomen, kan verklaren waarom ze beter presteren dan bulkmaterialen. Lanthaan en strontium hebben verschillende ladingen, zodat als een laag meer strontium heeft, het moet ook minder zuurstof bevatten, of meer zuurstof vacatures. Een gebrek aan zuurstof in een dunne-film buitenlaag, waar strontium overvloedig bleek te zijn, betekent dat het materiaal meer mogelijkheden heeft om te reageren met zuurstof aan het oppervlak, uitleg over de verbeterde prestaties.

De structuur en chemie van de gegloeide en als afgezette dunne films waren vergelijkbaar, wat suggereert dat warmte zelf de structuur of activiteit van het materiaal niet verandert. In toekomstige experimenten, de onderzoekers zullen dunne films bestuderen die worden blootgesteld aan zwaardere omstandigheden in de echte wereld. Ze willen ook de inzichten die zijn opgedaan bij de Advanced Photon Source gebruiken om in de toekomst betere perovskietmaterialen te ontwerpen.