Le perovskiti, qualsiasi materiale con la stessa struttura dell'ossido di calcio e titanio (CaTiO3), continuano ad attrarre gli scienziati dei materiali con la loro ferroelettricità, ferromagnetismo, attività catalitica, e conducibilità degli ioni di ossigeno. Negli ultimi anni, gli scienziati si sono resi conto che potevano migliorare notevolmente le proprietà delle perovskiti assemblandole in film sottili. Il problema era che nessuno capiva perché i film sottili battevano i materiali sfusi.

I ricercatori hanno acquisito nuove informazioni sulla superiorità del film sottile sondando la struttura delle perovskiti presso la divisione scientifica a raggi X 33-ID-D, Linea di luce a raggi X presso l'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Laboratorio Nazionale Argonne. Hanno usato un approccio innovativo per separare la struttura del film sottile e la chimica strato per strato.

Mentre i ricercatori rimuovevano gli strati, hanno scoperto che, invece di avere una distribuzione uniforme degli elementi, c'erano drastiche differenze nella composizione tra gli strati di film sottile. Questa osservazione può aiutare i ricercatori a progettare perovskiti a film sottile con maggiore attività e stabilità.

Applicazioni industriali per perovskiti, che riducono efficacemente l'ossigeno, comprendono la conversione dell'energia dai combustibili fossili in elettricità, purificazione dell'ossigeno, ed elettrocatalisi. Il gruppo di ricerca, del Massachusetts Institute of Technology, Università Ebraica (Israele), Laboratorio Nazionale Argonne, e l'Oak Ridge National Laboratory hanno studiato i film sottili LSCO:perovskiti a base di lantanio, stronzio, cobalto, e ossigeno (LSCO), come sistema modello per studiare il motivo per cui i film sottili hanno un potere riducente maggiore rispetto ai loro omologhi sfusi.

I ricercatori hanno studiato due film sottili LSCO a 4 nm presso l'APS, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE; un film sottile ricotto era stato precedentemente riscaldato a 550 ° C per un'ora per simulare le impostazioni industriali del mondo reale, mentre l'altro film sottile come depositato è stato lasciato a temperatura ambiente.

I ricercatori hanno quindi raccolto le intensità di diffrazione lungo 10 diversi oggetti spaziali reciproci, chiamato "canne di Bragg, " definito dal substrato. Hanno usato Coherent Bragg Rod Analysis (COBRA) per determinare la struttura atomica tridimensionale (3-D) di ogni strato di film sottile, con picchi più alti nella mappa che indicano un elemento con un numero maggiore di elettroni, consentendo ai ricercatori di differenziare gli elementi in diversi siti all'interno dei film sottili LSCO.

Ma COBRA da solo non fornisce informazioni sulla distribuzione degli elementi che occupano lo stesso sito atomico all'interno degli strati. Perciò, i ricercatori hanno applicato un secondo metodo chiamato "COBRA differenziale di energia, "vale a dire, eseguire misurazioni COBRA lungo le aste di Bragg variando le energie dei raggi X incidenti attorno al bordo K dello stronzio in ogni punto dello spazio reciproco. Questo approccio ha fornito la frazione di occupazione assoluta di stronzio in modo strato per strato.

Il risultato finale della combinazione di COBRA convenzionale con COBRA differenziale di energia sono state immagini atomiche 3D ad alta risoluzione (sub-angstrom) dei film sottili LSCO che includevano informazioni sulla distribuzione elementare.

Le immagini atomiche 3-D hanno mostrato chiaramente che lo stronzio tendeva a raggrupparsi negli strati esterni dei film sottili LSCO, mentre il lantanio riempiva quelle posizioni negli strati più profondi del film. Lo stronzio è quasi del tutto assente negli strati a film sottile più vicini al substrato.

I ricercatori sospettano che la segregazione superficiale dello stronzio osservata nei film sottili LSCO possa spiegare perché superano le prestazioni dei materiali sfusi. Lantanio e stronzio hanno cariche diverse, tale che se uno strato ha più stronzio, deve anche avere meno ossigeno, o più posti vacanti di ossigeno. Una carenza di ossigeno in uno strato esterno a film sottile, dove lo stronzio era abbondante, significa che il materiale può avere più opportunità di reagire con l'ossigeno sulla sua superficie, spiegando le prestazioni migliorate.

La struttura e la chimica dei film sottili ricotti e come depositati erano simili, suggerendo che il calore stesso non altera la struttura o l'attività del materiale. In esperimenti futuri, i ricercatori studieranno i film sottili sottoposti a condizioni reali più dure. Mirano anche a utilizzare le intuizioni acquisite presso l'Advanced Photon Source per progettare materiali di perovskite migliori in futuro.