Micrografia elettronica a trasmissione a scansione (sinistra) e modello strutturale (destra) per un ordinato, nanostrutturato, fase romboedrica, SrCrO2.8 che mostra piani SrO2 carenti di ossigeno, che consentono una facile diffusione degli anioni di ossigeno a bassa temperatura. Le sfere più luminose sono gli ioni di stronzio; le sfere meno luminose sono gli ioni di cromo. Gli anioni di ossigeno sono appena visibili, e le disponibilità di ossigeno appaiono in nero.
Sfruttando la naturale tendenza degli atomi di cromo ad evitare determinati ambienti di legame, gli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory del DOE hanno generato un materiale che consente all'ossigeno di muoversi attraverso di esso in modo molto efficiente, e a temperature relativamente basse. Nello specifico, hanno scoperto che i loro tentativi di produrre SrCrO . metallico 3 portano invece alla formazione di SrCrO . semiconduttore 2.8 . Poiché il cromo come ione con una carica di +4 non ama formare legami a 90º con l'ossigeno, come deve in SrCrO 3 , SrCrO 2.8 forme invece con una struttura cristallina completamente diversa. Questo materiale contiene piani carenti di ossigeno attraverso i quali l'ossigeno può diffondersi molto facilmente.
"Se le vacanze di ossigeno sono presenti a concentrazioni sufficientemente elevate, possono aggregare e formare nuove strutture ordinate, " ha affermato l'esperto di materiali Dr. Scott Chambers, il PNNL Laboratory Fellow che ha guidato la ricerca. "Queste strutture ordinate possono avere proprietà non osservate nel romanzo che crea l'ospite, cristalli mesoscala."
Come nazione, cerchiamo sempre di creare dispositivi nuovi e migliorati. Ancora, i limiti di ciò che si può ottenere con i materiali convenzionali, come l'elettronica a base di silicio, sono chiaramente all'orizzonte. Questo lavoro rappresenta un importante progresso scientifico rilevante per aumentare l'efficienza delle celle a combustibile ad ossido solido, che richiedono ossidi in grado di assorbire e trasmettere anioni di ossigeno a bassa temperatura.
"Come ulteriore vantaggio, matrici ordinate di posti vacanti di ossigeno potrebbero consentire la separazione spaziale dei gradi di libertà elettronici e vibrazionali, " disse Chambers. "Questa proprietà sarebbe utile in, Per esempio, aumentare le prestazioni dei termoelettrici."
Utilizzando una combinazione di metodi sperimentali e teorici, gli scienziati del PNNL hanno realizzato pellicole cristalline ultra pure e ne hanno sondato le proprietà. Hanno usato l'epitassia del fascio molecolare per preparare i film. Per caratterizzare i film, hanno usato la microscopia elettronica a trasmissione di scansione, spettroscopia di perdita di energia degli elettroni, Diffrazione di raggi X, fotoemissione di raggi X e ultravioletti, assorbimento ottico, e trasporto elettrico. Hanno usato la modellazione dei primi principi per determinare le trasformazioni strutturali e la cinetica di diffusione degli anioni di ossigeno.
Hanno determinato che l'accumulo di posti vacanti di ossigeno nella perovskite cubica SrCrO 3 (P-SCO) si traduce nella formazione di un ordinato, nanostrutturato, fase romboedrica, SrCrO 2.8 (R-SCO). La versione romboedrica ha proprietà elettroniche e ottiche abbastanza diverse rispetto a P-SCO.
Il team ha dimostrato che R-SCO può essere ossidato in modo reversibile a P-SCO in condizioni lievi (500 o C) e condizioni sperimentali facilmente controllabili, e che la struttura R-SCO dà origine a una conduttività degli ioni ossigeno molto più facile rispetto a P-SCO. Questa proprietà è estremamente importante per la tecnologia delle celle a combustibile ad ossido solido, dove la cinetica della reazione di riduzione dell'ossigeno e la conduttività degli ioni ossido nel catodo richiedono attualmente alte temperature, circa 800 o C, che rappresenta un ostacolo significativo al miglioramento dell'efficienza energetica complessiva delle celle a combustibile.
"Questa ricerca può aiutare nella ricerca di altre strutture simili con caratteristiche su misura, " ha detto il dottor Peter Sushko, uno scienziato che ha svolto la modellazione teorica e guida il Materials Science Group al PNNL.
A breve termine, il team prevede di applicare la comprensione acquisita alla deposizione, caratterizzazione, e comprensione del cromite di lantanio drogato con stronzio epitassiale. Questo materiale è di potenziale importanza nella raccolta della luce visibile e, sulla base di misurazioni preliminari al PNNL, può essere un ossido conduttore trasparente di tipo p. A lungo termine, il team prevede di sfruttare il fenomeno osservato per effettuare la nanofabbricazione di nuove strutture catalitiche eterogenee depositando quantità submonostrato di metalli cataliticamente importanti sulla superficie di R-SCO, e utilizzando l'intersezione dei piani difetto con la superficie libera per ordinare gli atomi di metallo in arrivo in nanofili.
