El movimiento de electrones entre los átomos de un material (denominado conductividad) es fundamental para muchas de las propiedades del material. En esta investigación, Los científicos encontraron diferentes modos de conductividad en la magnetita (Fe 3 O 4 ) cuando un tercio de los átomos de hierro (Fe) se reemplazan con cromo (Cr) para formar la ferrita de cromo semiconductora (Fe 2 CrO 4 ); ver imagen. Ahora entienden cómo los electrones saltan de un átomo a otro, representado por la flecha negra, que son activos ya que el cromo reemplaza al hierro en la estructura. Crédito:Scott Chambers
Depositar una capa de átomos a la vez puede resultar en materiales que mejoran enormemente las celdas de combustible, baterías y otros dispositivos. En esta investigación, Los científicos agregaron cromo a los óxidos de hierro con precisión para controlar las propiedades electrónicas y ópticas. El resultado fue una fina película muy ordenada de ferrita de cromo (Fe 2 CrO 4 ). La ferrita de cromo se vuelve más conductora de electricidad al absorber la luz. El material podría ser útil para procesos solares vitales, como la división del agua para producir hidrógeno como combustible, refrigerantes y más.
La investigación ofrece información sobre cómo diseñar y fabricar materiales con nuevas características de rendimiento. Por ejemplo, Los científicos podrían utilizar las propiedades ópticas inesperadas de las películas de ferrita de cromo para producir hidrógeno a partir del agua y la luz solar. El hidrógeno es vital en las industrias química y petrolera y como refrigerante. Más lejos, El hidrógeno es cada vez más popular como combustible para el transporte o en la generación de electricidad.
En esta investigación, Los científicos utilizaron la epitaxia de haz molecular para depositar cantidades determinadas con precisión de hierro (Fe), átomos de cromo (Cr) y oxígeno (O) para fabricar materiales que se predijo que tendrían varios grados de conductividad eléctrica, que van desde altamente conductivos hasta eléctricamente aislantes. Los investigadores hicieron Fe 3 O 4 (un medio metal), Fe 2 CrO 4 (un semiconductor) y FeCr 2 O 4 (un aislante). Este estudio aclaró las propiedades conductoras de estos óxidos de hierro y cromo, mostrando cómo las posiciones de los elementos en la red cristalina, estado de oxidación o carga (para los cationes), y la capacidad de los electrones para moverse dentro de la estructura dio como resultado sus respectivas propiedades conductoras.
La estructura de Fe 2 CrO 4 se demostró que era una espinela, teniendo Fe en las posiciones tetraédricas, pero tanto Cr como Fe en las posiciones octaédricas. Se encontró que el Fe estaba en uno de dos estados de oxidación, +2 o +3, pero se encontró que Cr solo tenía una carga de +3. Como resultado, los electrones podrían saltar entre los cationes de Fe en los sitios tetraédricos y octaédricos. Sin embargo, el equipo encontró que la conductividad era más baja que en Fe 3 O 4 , donde los electrones pueden saltar libremente entre Fe 2 + y Fe 3 + en sitios octaédricos. En el caso de FeCr 2 O 4 , El Fe solo está presente como catión 2+.
Como resultado, no hay forma de que los electrones salten de Fe a Fe, y el material es un aislante eléctrico. El equipo demostró que Fe 2 CrO 4 absorbe la luz visible que conduce a una conductividad eléctrica mejorada, o fotoconductividad. Las propiedades ópticas y electrónicas del Fe 2 CrO 4 sugieren que este material podría ser útil para importantes procesos fotoelectroquímicos solares como la división del agua.
