Door gebruik te maken van de natuurlijke neiging van chroomatomen om bepaalde bindingsomgevingen te vermijden, wetenschappers van DOE's Pacific Northwest National Laboratory hebben een materiaal gegenereerd waardoor zuurstof er zeer efficiënt doorheen kan bewegen, en bij relatief lage temperaturen. specifiek, ze ontdekten dat hun pogingen om metallisch SrCrO . te maken ₃ leiden in plaats daarvan tot de vorming van halfgeleidend SrCrO _2.8 . Omdat chroom als ion met een lading van +4 niet graag 90º bindingen met zuurstof vormt, zoals het moet in SrCrO ₃ , SrCrO _2.8 vormen in plaats daarvan met een geheel andere kristalstructuur. Dit materiaal bevat zuurstofarme vlakken waardoor zuurstof heel gemakkelijk kan diffunderen.

"Als zuurstofvacatures aanwezig zijn bij voldoende hoge concentraties, ze kunnen aggregeren en nieuwe geordende structuren vormen, " zei materiaalexpert Dr. Scott Chambers, de PNNL Laboratory Fellow die het onderzoek leidde. "Deze geordende structuren kunnen eigenschappen hebben die niet worden waargenomen in de gastheer-creërende roman, mesoschaal kristallen."

Als een natie, we zijn altijd op zoek naar nieuwe en verbeterde apparaten. Nog, de grenzen van wat kan worden bereikt met conventionele materialen, zoals elektronica op basis van silicium, zijn duidelijk aan de horizon. Dit werk vertegenwoordigt een belangrijke wetenschappelijke vooruitgang die relevant is voor het verhogen van de efficiëntie van vaste-oxidebrandstofcellen, waarvoor oxiden nodig zijn die bij lage temperatuur zuurstofanionen kunnen opnemen en doorgeven.

"Als bijkomend voordeel geordende arrays van zuurstofvacatures kunnen de ruimtelijke scheiding van elektronische en vibrationele vrijheidsgraden mogelijk maken, "zei Chambers. "Deze eigenschap zou nuttig zijn in, bijvoorbeeld, het verhogen van de prestaties van thermo-elektriciteit."

Met behulp van een combinatie van experimentele en theoretische methoden, wetenschappers van PNNL maakten ultrazuivere kristallijne films en onderzochten hun eigenschappen. Ze gebruikten moleculaire bundelepitaxie om de films te bereiden. Om de films te karakteriseren, ze gebruikten scanning transmissie-elektronenmicroscopie, elektronen energieverlies spectroscopie, Röntgendiffractie, Röntgenstraling en ultraviolette foto-emissie, optische absorptie, en elektrisch vervoer. Ze gebruikten eerste-principes modellering om de structurele transformaties en zuurstof anion diffusie kinetiek te bepalen.

Ze stelden vast dat de accumulatie van zuurstofvacatures in de kubische perovskiet SrCrO ₃ (P-SCO) resulteert in de vorming van een geordende, nanogestructureerd, rhomboëdrische fase, SrCrO _2.8 (R-SCO). De rhomboëdrische versie heeft heel andere elektronische en optische eigenschappen in vergelijking met P-SCO.

Het team toonde aan dat R-SCO omkeerbaar kan worden geoxideerd tot P-SCO onder milde (500 ^O C) en gemakkelijk te controleren experimentele omstandigheden, en dat de R-SCO-structuur aanleiding geeft tot een veel gemakkelijker zuurstofionengeleidingsvermogen dan P-SCO. Deze eigenschap is buitengewoon belangrijk voor vaste-oxidebrandstofceltechnologie, waar de kinetiek van de zuurstofreductiereactie en de geleidbaarheid van oxide-ionen in de kathode momenteel hoge temperaturen vereisen, rond 800 ^O C, dat een belangrijk obstakel vormt voor het verbeteren van de algehele energie-efficiëntie van brandstofcellen.

"Dit onderzoek kan helpen bij het zoeken naar andere vergelijkbare structuren met op maat gemaakte kenmerken, " zei dr. Peter Sushko, een wetenschapper die de theoretische modellering deed en de Materials Science Group bij PNNL leidt.

Op korte termijn, het team is van plan het verkregen inzicht toe te passen op de afzetting, karakteriseren, en begrip van epitaxiaal met strontium gedoteerd lanthaanchromiet. Dit materiaal is van potentieel belang bij het oogsten van zichtbaar licht en, op basis van voorlopige metingen bij PNNL, kan een p-type transparant geleidend oxide zijn. Op de lange termijn, het team is van plan het waargenomen fenomeen te exploiteren om nanofabricage van nieuwe heterogene katalytische structuren uit te voeren door submonolaaghoeveelheden van katalytisch belangrijke metalen op het oppervlak van R-SCO af te zetten, en het gebruik van de kruising van de defectvlakken met het vrije oppervlak om de binnenkomende metaalatomen in nanodraden te ordenen.