Immagini simultanee in scala atomica AFM (a) e STM (b) della superficie (101) del biossido di titanio anatasio. I parallelogrammi indicano la stessa superficie in (a) e (b). Le posizioni del segnale massimo (punti luminosi) nelle immagini AFM e STM differiscono chiaramente. Utilizzando singole molecole d'acqua come marcatori atomici e combinando misurazioni simultanee di AFM e STM con calcoli di principi primi, gli autori hanno dimostrato che l'AFM rappresenta il primo strato atomico di atomi di ossigeno - sfere rosa nel modello della superficie dell'anatasio (101) raffigurato in (c) - e l'STM rappresenta gli atomi di titanio al terzo strato atomico - sfere grigio scuro in (C).
Un team di ricerca NIMS ha identificato con successo gli atomi e i difetti comuni esistenti sulla superficie più stabile della forma anatasio del biossido di titanio caratterizzando questo materiale su scala atomica con la microscopia a scansione di sonda. Questo lavoro è stato pubblicato sotto la politica di accesso aperto nella versione online di Comunicazioni sulla natura il 29 giugno, 2015.
Il team di ricerca composto da Oscar Custance e Tomoko Shimizu, capogruppo e scienziato senior, rispettivamente, presso l'Atomic Force Probe Group, NIM, Daisuke Fujita e Keisuke Sagisaka, capogruppo e ricercatore senior, rispettivamente, al gruppo di caratterizzazione superficiale, NIM, e scienziati della Charles University nella Repubblica Ceca, Università Autonoma di Madrid in Spagna, e altre organizzazioni hanno combinato misurazioni simultanee di microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia a scansione di tunnel (STM) con calcoli dei primi principi per l'identificazione univoca delle specie atomiche sulla superficie più stabile della forma anatasio del biossido di titanio (di seguito denominato anatasio ) e i suoi difetti più comuni.
Negli ultimi anni, anatasio ha attirato una notevole attenzione, perché è diventato un materiale cardine nei dispositivi per la fotocatalisi e per la conversione dell'energia solare in elettricità. È estremamente difficile coltivare grandi cristalli singoli di anatasio, e la maggior parte delle applicazioni di questo materiale sono sotto forma di nanocristalli. Per migliorare la reattività catalitica dell'anatasio e l'efficienza dei dispositivi per la conversione dell'energia solare a base di anatasio, è fondamentale acquisire una comprensione e un controllo approfonditi delle reazioni che avvengono sulla superficie di questo materiale fino al livello atomico. Solo pochi gruppi di ricerca in tutto il mondo possiedono la tecnologia per creare campioni di prova adeguati e per effettuare osservazioni in situ a livello atomico delle superfici di anatasio.
In questo studio, il team di ricerca ha utilizzato campioni ottenuti da cristalli singoli naturali di anatasio estratti da rocce di anatasio presenti in natura. Il team ha caratterizzato la superficie dell'anatasio a livello atomico mediante AFM e STM simultanee. Utilizzando singole molecole d'acqua come marcatori atomici, il team ha identificato con successo le specie atomiche di questa superficie; risultato che è stato ulteriormente confermato dal confronto delle misurazioni simultanee di AFM e STM con i risultati dei calcoli dei principi primi.
In STM normale, in cui una sonda atomicamente tagliente viene scansionata sulla superficie mantenendo costante una corrente elettrica che scorre tra di loro, è difficile ottenere un'immagine stabile delle superfici anatasio poiché questo materiale presenta una scarsa conduttività elettrica su alcune delle posizioni atomiche della superficie. Però, il funzionamento simultaneo di AFM e STM ha consentito l'imaging della superficie con risoluzione atomica anche all'interno del gap di banda dei materiali (una regione in cui il flusso di corrente tra la sonda e la superficie è, in linea di principio, vietato). Qui, la rilevazione delle forze interatomiche tra l'ultimo atomo della sonda atomicamente tagliente e gli atomi della superficie da parte dell'AFM è stata di cruciale importanza. Regolando la distanza sonda-superficie tramite AFM, è stato possibile visualizzare la superficie su scala atomica durante la raccolta di dati STM su aree della superficie sia conduttive che non conduttive. Confrontando le misurazioni simultanee di AFM e STM con simulazioni teoriche, il team non solo è stato in grado di discernere quali specie atomiche stavano contribuendo alle immagini AFM e STM, ma anche di identificare i difetti più comuni riscontrati in superficie.
Nel futuro, sulla base delle informazioni ottenute da questo studio, il team di ricerca NIMS condurrà ricerche su molecole di rilevanza tecnologica che adsorbono su anatasio e caratterizzano questi sistemi ibridi utilizzando AFM e STM simultanei. Il loro obiettivo finale è formulare nuovi approcci per lo sviluppo di fotocatalizzatori e materiali e dispositivi per celle solari.
Questo studio è stato pubblicato nell'ambito della politica di accesso aperto nella versione online di Comunicazioni sulla natura il 29 giugno, 2015.
