Een nieuwe combinatie van microscopie en gegevensverwerking heeft onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy een ongekende kijk gegeven op het oppervlak van een materiaal dat bekend staat om zijn ongebruikelijke fysische en elektrochemische eigenschappen.

Het onderzoeksteam onder leiding van ORNL's Zheng Gai onderzocht hoe zuurstof het oppervlak van een perovskietmanganiet beïnvloedt, een complex materiaal dat dramatisch magnetisch en elektronisch gedrag vertoont. Onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het gebruik van een breed scala aan gecorreleerde oxidematerialen voor toepassingen zoals vaste brandstofcellen of zuurstofsensoren, kunnen profiteren van de nieuwe manier om oppervlaktegedrag te begrijpen.

"Oppervlakte-eigenschappen zijn essentieel voor elke gevoelige toepassing, omdat het oppervlak de interactie met de buitenwereld regelt, ", aldus co-auteur Art Baddorf.

De resultaten van het team, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderstrepen waarom de materialen "sterk gecorreleerd" worden genoemd:omdat de chemische en fysische functionaliteiten gekoppeld zijn, elke kleine wijziging kan het hele systeem beïnvloeden.

"Het is alsof het materiaal veel knoppen heeft, en als je er een wordt, alle eigenschappen veranderen, ' zei Gai. 'Je draait aan een andere knop en het hele ding verandert weer. Het blijkt dat het oppervlak een andere knop is - je kunt het gebruiken om de eigenschappen te veranderen."

De onderzoekers gebruikten scanning tunneling microscopie met hoge resolutie om beelden van het manganietoppervlak te genereren - tot op het niveau van 30 picometer. Een picometer is een biljoenste van een meter. Vervolgens verwerkten ze de beeldgegevens om de positie van elk atoom te bepalen en de hoeken tussen de atomen te berekenen.

"Weten waar de atomen zijn gepositioneerd, laat zien hoe ze op elkaar inwerken, ' zei Baddorf.

De resulterende "vervormingskaarten" brachten structurele gebieden in beeld die domeinen worden genoemd en die niet gemakkelijk konden worden geïdentificeerd in de onbewerkte afbeeldingen. De kaarten lieten duidelijk zien hoe de aanwezigheid van zuurstofatomen de atomen in een dambordpatroon dwong dat bekend staat als een Jahn-Teller-vervorming. Gai zegt dat de studie van het team de eerste keer is dat het fenomeen op het oppervlak van een materiaal is waargenomen.

"De zuurstof verandert de oppervlakte-energie totaal, " zei Gai. "Als je eenmaal zuurstof hebt ingevoerd, de elektronen houden er niet van om een ​​rechte lijn te vormen; ze zigzaggen om in een lagere energietoestand te komen. Deze vervorming is een veel voorkomend begrip in bulkmaterialen, maar niemand heeft dit effect eerder aan de oppervlakte kunnen laten zien."

De studie is gepubliceerd als "Chemisch geïnduceerde Jahn-Teller-bestelling op mangaanoppervlakken." Co-auteurs zijn Wenzhi Lin van ORNL, Paul Snijders, Thomas wijk, J. Shen, Stephan Jesse, Sergej Kalinin, en Arthur Baddorf; Universiteit van Nebraska's JD Burton en Evgeny Tsymbal; en K. Fuchigami van IHI Corporation.

Dit onderzoek is deels uitgevoerd bij het Centre for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Het DOE's Office of Science ondersteunde het onderzoek. Het werk aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln werd ondersteund door de National Science Foundation.