Gli idruri di perovskite, la cui struttura molecolare contiene anioni idrogeno (H ⁻ ), attirano particolare attenzione a causa delle loro proprietà derivate dall'idrogeno. Molti esperti ritengono che questi composti potrebbero essere fondamentali nello studio e nello sviluppo di tecnologie di stoccaggio dell'idrogeno, come celle a combustibile e batterie di prossima generazione, nonché cavi superconduttori a risparmio energetico.

Anche se gli idruri di perovskite rappresentano una piattaforma unica per la scienza applicata dei materiali, la caratterizzazione delle loro proprietà fisiche si è rivelata impegnativa. In particolare, misurando il valore H ⁻ la conduttività di questi materiali cristallini non è semplice. Nella maggior parte degli studi, i ricercatori utilizzano campioni in polvere nelle loro analisi di caratterizzazione, il che significa che H ⁻ la conduzione è influenzata dalle irregolarità ("confini di grano") nei cristalli.

Per ottenere valori veri per l'intrinseco H ⁻ conduttività di una data perovskite, è necessario produrre un singolo cristallo uniforme e continuo con il minor numero possibile di imperfezioni. Per i complessi idruri di perovskite ternaria, raggiungere questo obiettivo è difficile e pochissimi gruppi di ricerca ci hanno tentato.

In un recente studio pubblicato su ACS Applied Energy Materials l'8 aprile 2024, un team di ricercatori, tra cui la dottoranda Erika Fukushi del Dipartimento di Sistemi Ambientali Regionali della Graduate School of Engineering and Science presso lo Shibaura Institute of Technology (SIT), Giappone, ha deciso di raccogliere la sfida. /P>

Utilizzando un approccio innovativo per produrre cristalli singoli di alta qualità, il team ha eseguito alcune delle prime misurazioni di conduzione intrinseca sugli idruri di perovskite ternaria. Questo lavoro è stato scritto in collaborazione da Fumiya Mori, Kota Munefusa e Hiroyuki Oguchi del SIT e Takayuki Harada dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali.

Per produrre i singoli cristalli di perovskite, i ricercatori hanno sviluppato e sperimentato un potente metodo chiamato “deposizione laser a infrarossi reattiva con radicali H”. Questo approccio prevede di puntare un laser a infrarossi su un pellet rotante a forma di disco contenente gli atomi metallici della perovskite desiderata.

Nel loro studio, i ricercatori volevano produrre MLiH₃ (dove M è Sr o Ba), e quindi il pellet era costituito da una miscela grossolanamente compressa di MH₂ e polveri di LiH. Quando questo pellet veniva riscaldato dal laser, i metalli venivano rilasciati da esso in un'atmosfera circostante ricca di radicali H, ottenuta iniettando idrogeno nella camera di reazione attraverso un filamento di tungsteno riscaldato.

Vicino al pellet c'era un substrato accuratamente selezionato, sul quale l'idrogeno e i metalli si combinavano spontaneamente per formare la perovskite desiderata. Quando gli atomi cominciarono ad accumularsi sul substrato, si sistemarono e si allinearono spontaneamente in modo coerente con gli strati cristallini sottostanti. Ciò ha portato alla crescita epitassiale di un nanofilm sul substrato.

"Il nostro approccio è unico nella sua capacità di effettuare la deposizione in un'atmosfera di idrogeno radicale, promuovendo in modo significativo la reazione tra il metallo e l'idrogeno", spiega Fukushi. "Ciò si traduce nella sintesi di film sottili di idruro monofase idrogenando completamente gli atomi di metallo che tendono naturalmente a persistere nel film."

I ricercatori hanno eseguito deposizioni laser multiple in una varietà di condizioni e hanno caratterizzato accuratamente i film sottili risultanti. Utilizzando molte tecniche avanzate, tra cui la diffrazione di raggi X, la microscopia a forza atomica e la microscopia elettronica a scansione, hanno determinato la distribuzione elementare e la cristallinità di ciascuno dei film. In questo modo, hanno determinato le condizioni ottimali nella loro configurazione sperimentale per la crescita di MLiH₃ monocristallo ben ordinato .

Dopo aver confermato l'assenza di bordi di grano nelle pellicole, il team ha finalmente potuto eseguire H ⁻ misure di conducibilità. Vale la pena notare che queste furono le prime misurazioni dell'H ⁻ intrinseco conduttività di questi cristalli, un'informazione cruciale per la selezione dei materiali in molte applicazioni legate all'idrogeno.

"Nuove batterie secondarie e celle a combustibile potrebbero essere sviluppate utilizzando la conduzione di ioni idruro", commenta Fukushi. "Tali tecnologie potrebbero incoraggiare la diffusione dei veicoli elettrici e delle energie rinnovabili, contribuendo in definitiva alla costruzione di una società sostenibile e basata sul risparmio energetico."