Una combinazione unica di strumenti di imaging e simulazioni a livello atomico ha permesso a un team guidato dall'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy di risolvere un dibattito di lunga data sulle proprietà di un materiale promettente che può raccogliere energia dalla luce.

I ricercatori hanno utilizzato l'imaging multimodale per "vedere" le interazioni su scala nanometrica all'interno di un film sottile di perovskite organica-inorganica ibrida, un materiale utile per le celle solari. Hanno determinato che il materiale è ferroelastico, il che significa che può formare domini di deformazione polarizzata per ridurre al minimo l'energia elastica. Questa scoperta era contraria alle precedenti ipotesi che il materiale fosse ferroelettrico, il che significa che può formare domini di carica elettrica polarizzata per ridurre al minimo l'energia elettrica.

"Abbiamo scoperto che le persone erano fuorviate dal segnale meccanico nelle misurazioni elettromeccaniche standard, con conseguente errata interpretazione della ferroelettricità, " ha detto Yongtao Liu di ORNL, il cui contributo allo studio è diventato un fulcro del suo dottorato di ricerca. tesi presso l'Università del Tennessee, Knoxville (UTK).

Olga Ovchinnikova, che ha diretto gli esperimenti presso il Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) dell'ORNL, aggiunto, "Abbiamo utilizzato l'imaging chimico multimodale, la microscopia a scansione di sonda combinata con la spettrometria di massa e la spettroscopia ottica, per dimostrare che questo materiale è ferroelastico e come la ferroelasticità guida la segregazione chimica".

Le scoperte, segnalato in Materiali della natura , ha rivelato che i ceppi differenziali causano la migrazione e la segregazione delle molecole ionizzate all'interno delle regioni del film, con conseguente chimica locale che può influenzare il trasporto di carica elettrica.

La comprensione che questa suite unica di strumenti di imaging consente ai ricercatori di correlare meglio struttura e funzione e mettere a punto i film per la raccolta di energia per prestazioni migliori.

"Vogliamo realizzare in modo predittivo grani di dimensioni e geometrie particolari, " Liu ha detto. "La geometria sta per controllare lo sforzo, e il ceppo controllerà la chimica locale".

Per il loro esperimento, i ricercatori hanno realizzato un film sottile mediante la fusione a rotazione di una perovskite su un substrato di vetro rivestito di ossido di indio e stagno. Questo processo ha creato il conduttore, superficie trasparente di cui un dispositivo fotovoltaico avrebbe bisogno, ma generava anche sollecitazioni. Per alleviare lo sforzo, minuscoli domini ferroelastici formati. Un tipo di dominio era "grani, " che assomiglia a quello che potresti vedere sorvolare un terreno agricolo con macchie di colture diverse inclinate l'una rispetto all'altra. All'interno dei grani, sottodomini formati, simili a filari di due tipi di piante che si alternano in un fazzoletto di terreno agricolo. Queste file adiacenti ma opposte sono "domini gemelli" di sostanze chimiche segregate.

La tecnica utilizzata in precedenza dagli scienziati per affermare che il materiale era ferroelettrico era la microscopia a forza di risposta piezoelettrica ("piezo" significa "pressione), in cui la punta di un microscopio a forza atomica (AFM) misura uno spostamento meccanico dovuto al suo accoppiamento con la polarizzazione elettrica, vale a dire, spostamento elettromeccanico. "Ma in realtà non stai misurando il vero spostamento del materiale, " Ha avvertito Ovchinnikova. "Stai misurando la deflessione di tutto questo 'trampolino' del cantilever." Pertanto, i ricercatori hanno utilizzato una nuova tecnica di misurazione per separare la dinamica del cantilever dallo spostamento del materiale dovuto alla risposta piezoelettrica:l'opzione Interferometric Displacement Sensor (IDS) per Cypher AFM, sviluppato dal coautore Roger Proksch, CEO di Oxford Instruments Asylum Research. Hanno scoperto che la risposta in questo materiale proviene dalla sola dinamica del cantilever e non è un vero piezoresponse, dimostrando che il materiale non è ferroelettrico.

"Il nostro lavoro mostra che l'effetto ritenuto dovuto alla polarizzazione ferroelettrica può essere spiegato dalla segregazione chimica, " ha detto Liù.

Le diverse misurazioni di microscopia e spettroscopia dello studio hanno fornito dati sperimentali per convalidare le simulazioni a livello atomico. Le simulazioni forniscono informazioni predittive che potrebbero essere utilizzate per progettare materiali futuri.

"Siamo in grado di farlo grazie all'ambiente unico al CNMS in cui abbiamo la caratterizzazione, teoria e sintesi sotto lo stesso tetto, " Ovchinnikova ha detto. "Non abbiamo solo utilizzato la spettrometria di massa perché [essa] fornisce informazioni sulla chimica locale. Abbiamo anche usato la spettroscopia ottica e le simulazioni per osservare l'orientamento delle molecole, che è importante per comprendere questi materiali. Una capacità di imaging chimico così coesa presso l'ORNL sfrutta la nostra imaging funzionale".

Le collaborazioni con l'industria consentono all'ORNL di avere strumenti unici a disposizione degli scienziati, compresi quelli che hanno risolto il dibattito sulla vera natura del materiale che raccoglie la luce. Per esempio, uno strumento che utilizza la microscopia a ioni di elio (HIM) per rimuovere e ionizzare le molecole è stato accoppiato con una spettroscopia di massa di ioni secondari (SIMS) per identificare le molecole in base al loro peso. Lo strumento HIM-SIMS ZEISS ORION NanoFab è stato messo a disposizione di ORNL dallo sviluppatore ZEISS per i beta test ed è uno dei due soli strumenti di questo tipo al mondo. Allo stesso modo, lo strumento IDS di Asylum Research, che è un vibrometro laser Doppler, è stato anche messo a disposizione di ORNL per il beta testing ed è l'unico esistente.

"I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory sono naturalmente adatti per lavorare con l'industria perché possiedono competenze uniche e sono in grado di utilizzare prima gli strumenti nel modo in cui dovrebbero, " ha affermato Proksch di Asylum. "ORNL dispone di una struttura [CNMS] che mette a disposizione di molti utenti scientifici strumenti e competenze che possono testare strumenti su diversi problemi e fornire un forte feedback durante i beta test man mano che i fornitori sviluppano e migliorano gli strumenti, in questo caso il nostro nuovo AFM metrologico IDS."