Micrografía electrónica de transmisión de barrido (izquierda) y modelo estructural (derecha) para un pedido, nanoestructurado, fase romboédrica, SrCrO2.8 que muestra planos de SrO2 deficientes en oxígeno, que permiten una fácil difusión de aniones de oxígeno a baja temperatura. Las esferas más brillantes son los iones de estroncio; las esferas menos brillantes son iones de cromo. Los aniones de oxígeno son apenas visibles, y las vacantes de oxígeno aparecen en negro.
Aprovechando la tendencia natural de los átomos de cromo a evitar ciertos entornos de enlace, Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE han generado un material que permite que el oxígeno se mueva a través de él de manera muy eficiente. ya temperaturas relativamente bajas. Específicamente, encontraron que sus intentos de hacer SrCrO metálico 3 conducir en cambio a la formación de SrCrO semiconductor 2.8 . Debido a que al cromo como ión con una carga de +4 no le gusta formar enlaces de 90º con el oxígeno, como debe ser en SrCrO 3 , SrCrO 2.8 formas en cambio con una estructura cristalina completamente diferente. Este material contiene planos deficientes en oxígeno a través de los cuales el oxígeno puede difundirse muy fácilmente.
"Si hay vacantes de oxígeno en concentraciones suficientemente altas, pueden agregar y formar nuevas estructuras ordenadas, "dijo el Dr. Scott Chambers, experto en materiales, el becario de laboratorio PNNL que dirigió la investigación. "Estas estructuras ordenadas pueden tener propiedades que no se observan en la novela creadora de hospedadores, cristales de mesoescala ".
Como una nación, siempre buscamos crear dispositivos nuevos y mejorados. Todavía, los límites de lo que se puede conseguir con materiales convencionales, como la electrónica basada en silicio, están claramente en el horizonte. Este trabajo representa un importante avance científico relevante para aumentar la eficiencia de las pilas de combustible de óxido sólido, que requieren óxidos capaces de absorber y transmitir aniones de oxígeno a baja temperatura.
"Como beneficio adicional, arreglos ordenados de vacantes de oxígeno podrían permitir la separación espacial de grados de libertad electrónicos y vibracionales, "dijo Chambers." Esta propiedad sería útil en, por ejemplo, aumentando el rendimiento de la termoeléctrica ".
Usando una combinación de métodos experimentales y teóricos, Los científicos de PNNL hicieron películas cristalinas ultrapuras y probaron sus propiedades. Utilizaron epitaxia de haz molecular para preparar las películas. Para caracterizar las películas, utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido, espectroscopia de pérdida de energía de electrones, Difracción de rayos X, Fotoemisión de rayos X y ultravioleta, absorción óptica, y transporte eléctrico. Utilizaron modelos de primeros principios para determinar las transformaciones estructurales y la cinética de difusión de aniones de oxígeno.
Determinaron que la acumulación de vacantes de oxígeno en la perovskita cúbica SrCrO 3 (P-SCO) da como resultado la formación de un nanoestructurado, fase romboédrica, SrCrO 2.8 (R-SCO). La versión romboédrica tiene propiedades ópticas y electrónicas bastante diferentes en comparación con P-SCO.
El equipo demostró que el R-SCO se puede oxidar reversiblemente a P-SCO en condiciones suaves (500 o C) y condiciones experimentales fácilmente controladas, y que la estructura de R-SCO da lugar a una conductividad de iones de oxígeno mucho más fácil que la de P-SCO. Esta propiedad es sumamente importante para la tecnología de celdas de combustible de óxido sólido, donde la cinética de la reacción de reducción de oxígeno y la conductividad del ión óxido en el cátodo actualmente requieren altas temperaturas, alrededor de 800 o C, lo que constituye un obstáculo importante para mejorar la eficiencia energética general de las pilas de combustible.
"Esta investigación puede ayudar en la búsqueda de otras estructuras similares con características personalizadas, "dijo el Dr. Peter Sushko, un científico que hizo el modelado teórico y lidera el Grupo de Ciencia de Materiales en PNNL.
En el corto plazo, el equipo planea aplicar los conocimientos adquiridos a la deposición, caracterización, y comprensión de la cromita de lantano dopada con estroncio epitaxial. Este material es de importancia potencial en la captación de luz visible y, basado en mediciones preliminares en PNNL, puede ser un óxido conductor transparente de tipo p. A largo plazo, el equipo planea explotar el fenómeno observado para llevar a cabo la nanofabricación de estructuras catalíticas heterogéneas novedosas depositando cantidades de submonolayer de metales catalíticamente importantes en la superficie de R-SCO, y el uso de la intersección de los planos defectuosos con la superficie libre para ordenar los átomos metálicos entrantes en nanocables.
