Een NIMS-onderzoeksteam heeft met succes de atomen en veelvoorkomende defecten geïdentificeerd die aanwezig zijn op het meest stabiele oppervlak van de anataasvorm van titaniumdioxide door dit materiaal op atomaire schaal te karakteriseren met scanning-sondemicroscopie. Dit werk is gepubliceerd onder open access-beleid in de online versie van Natuurcommunicatie op 29 juni, 2015.

Het onderzoeksteam bestaande uit Oscar Custance en Tomoko Shimizu, groepsleider en senior wetenschapper, respectievelijk, bij de Atomic Force Probe Group, NIMS, Daisuke Fujita en Keisuke Sagisaka, groepsleider en senior onderzoeker, respectievelijk, bij de Surface Characterization Group, NIMS, en wetenschappers aan de Charles University in Tsjechië, Autonome Universiteit van Madrid in Spanje, en andere organisaties combineerden simultane atomic force microscopie (AFM) en scanning tunneling microscopie (STM) metingen met eerste-principe berekeningen voor de eenduidige identificatie van de atoomsoort op het meest stabiele oppervlak van de anataasvorm van titaandioxide (hierna anatase genoemd) ) en de meest voorkomende defecten.

In recente jaren, anatase heeft veel aandacht getrokken, omdat het een cruciaal materiaal is geworden in apparaten voor fotokatalyse en voor de omzetting van zonne-energie in elektriciteit. Het is een enorme uitdaging om grote eenkristallen van anataas, en de meeste toepassingen van dit materiaal zijn in de vorm van nanokristallen. Om de katalytische reactiviteit van anatase en de efficiëntie van apparaten voor zonne-energieconversie op basis van anatase te verbeteren, het is van cruciaal belang om diepgaand inzicht te krijgen in en controle te krijgen over de reacties die plaatsvinden aan het oppervlak van dit materiaal tot op atomair niveau. Slechts een paar onderzoeksgroepen wereldwijd beschikken over de technologie om goede testmonsters te maken en om in-situ observaties op atomair niveau van anataasoppervlakken te maken.

In dit onderzoek, het onderzoeksteam gebruikte monsters die waren verkregen uit natuurlijke eenkristallen van anataas, geëxtraheerd uit natuurlijk voorkomende anataasgesteenten. Het team karakteriseerde het oppervlak van anatase op atomair niveau door middel van gelijktijdige AFM en STM. Met behulp van enkele watermoleculen als atomaire markers, het team heeft met succes de atomaire soorten van dit oppervlak geïdentificeerd; resultaat dat bovendien werd bevestigd door de vergelijking van gelijktijdige AFM- en STM-metingen met de uitkomsten van first-principles-berekeningen.

In gewone STM, waarin een atomair scherpe sonde over het oppervlak wordt gescand door een elektrische stroom ertussen constant te houden, het is moeilijk om anatase-oppervlakken stabiel in beeld te brengen, aangezien dit materiaal een slechte elektrische geleidbaarheid heeft over sommige van de atomaire posities van het oppervlak. Echter, gelijktijdige werking van AFM en STM maakte het mogelijk om het oppervlak af te beelden met atomaire resolutie, zelfs binnen de bandafstand van het materiaal (een gebied waar de stroom tussen de sonde en het oppervlak is, in principe, verboden). Hier, de detectie van interatomaire krachten tussen het laatste atoom van de atomair scherpe sonde en de atomen van het oppervlak door AFM was van cruciaal belang. Door de afstand tussen de sonde en het oppervlak te regelen met behulp van AFM, het was mogelijk om het oppervlak op atomaire schaal in beeld te brengen terwijl STM-gegevens werden verzameld over zowel geleidende als niet-geleidende delen van het oppervlak. Door gelijktijdige AFM- en STM-metingen te vergelijken met theoretische simulaties, het team was niet alleen in staat om te onderscheiden welke atoomsoorten bijdroegen aan de AFM- en STM-beelden, maar ook om de meest voorkomende defecten aan het oppervlak te identificeren.

In de toekomst, op basis van de informatie die uit dit onderzoek is verkregen, het onderzoeksteam van het NIMS gaat onderzoek doen naar technologisch relevante moleculen die adsorberen op anatase en deze hybride systemen karakteriseren door gelijktijdig gebruik te maken van AFM en STM. Hun uiteindelijke doel is om nieuwe benaderingen te formuleren voor de ontwikkeling van fotokatalysatoren en materialen en apparaten voor zonnecellen.

Deze studie is gepubliceerd onder open access policy in de online versie van Natuurcommunicatie op 29 juni, 2015.