Il movimento degli elettroni tra gli atomi in un materiale (denominato conduttività) è fondamentale per molte delle proprietà del materiale. In questa ricerca, scienziati hanno scoperto diverse modalità di conduttività nella magnetite (Fe 3 oh 4 ) quando un terzo degli atomi di ferro (Fe) viene sostituito con cromo (Cr) per formare la ferrite di cromo semiconduttore (Fe 2 Cro 4 ); vedi immagine. Ora capiscono come gli elettroni saltano da un atomo all'altro, rappresentato dalla freccia nera, che sono attivi in quanto il cromo sostituisce il ferro nella struttura. Credito:Scott Chambers
Il deposito di uno strato di atomi alla volta può portare a materiali che migliorano notevolmente le celle a combustibile, batterie e altri dispositivi. In questa ricerca, gli scienziati hanno aggiunto con precisione il cromo agli ossidi di ferro per controllare le proprietà elettroniche e ottiche. Il risultato è stato un film sottile altamente ordinato di ferrite di cromo (Fe 2 Cro 4 ). La ferrite di cromo diventa più elettricamente conduttiva assorbendo la luce. Il materiale potrebbe essere utile per processi solari vitali, come la scissione dell'acqua per produrre idrogeno come combustibile, refrigeranti e altro.
La ricerca offre spunti su come progettare e realizzare materiali con nuove caratteristiche prestazionali. Per esempio, gli scienziati potrebbero utilizzare le proprietà ottiche inaspettate dei film di ferrite al cromo per produrre idrogeno dall'acqua e dalla luce solare. L'idrogeno è vitale nelle industrie chimiche e petrolifere e come refrigerante. Ulteriore, l'idrogeno è sempre più popolare come combustibile per i trasporti o nella generazione di elettricità.
In questa ricerca, gli scienziati hanno utilizzato l'epitassia del fascio molecolare per depositare quantità precisamente determinate di ferro (Fe), atomi di cromo (Cr) e ossigeno (O) per produrre materiali che si prevedeva avessero vari gradi di conduttività elettrica, che vanno da altamente conduttivi a elettricamente isolanti. Gli investigatori hanno fatto Fe 3 oh 4 (un mezzo metallo), Fe 2 Cro 4 (un semiconduttore) e FeCr 2 oh 4 (un isolante). Questo studio ha chiarito le proprietà conduttive di questi ossidi di ferro e cromo, mostrando come le posizioni degli elementi nel reticolo cristallino, stato o carica di ossidazione (per i cationi), e la capacità degli elettroni di muoversi all'interno della struttura ha determinato le loro rispettive proprietà conduttive.
La struttura di Fe 2 Cro 4 si è dimostrato essere uno spinello, avendo Fe nelle posizioni tetraedriche, ma sia Cr che Fe nelle posizioni ottaedriche. Il Fe è risultato essere in uno dei due stati di ossidazione, +2 o +3, ma si è scoperto che Cr aveva solo una carica +3. Di conseguenza, gli elettroni potrebbero saltare tra i cationi Fe nei siti tetraedrici e ottaedrici. Però, il team ha riscontrato che la conduttività è inferiore a quella in Fe 3 oh 4 , dove gli elettroni possono saltare liberamente tra Fe 2 + e Fe 3 + su siti ottaedrici. Nel caso di FeCr 2 oh 4 , Fe è presente solo come catione 2+.
Di conseguenza, non c'è modo per gli elettroni di saltare da Fe a Fe, e il materiale è un isolante elettrico. La squadra ha dimostrato che Fe 2 Cro 4 assorbe la luce visibile portando a una maggiore conduttività elettrica, o fotoconduttività. Le proprietà ottiche ed elettroniche del Fe 2 Cro 4 suggeriscono che questo materiale potrebbe essere utile per importanti processi fotoelettrochimici solari come la scissione dell'acqua.
