Comprender cómo se forman y combinan los materiales entre sí es importante para diseñar mejores dispositivos de recolección y almacenamiento de energía. Ahora, Los investigadores han obtenido imágenes directas de la pérdida de una sola capa de átomos en un fotocatalizador creado al colocar dos óxidos en capas. El equipo examinó la estructura de una sola capa y la del compuesto final, encontrar que un plano de átomos justo en el límite material se perdió durante el proceso de síntesis. El equipo demostró que la superficie del material de partida es inestable y puede reconfigurarse drásticamente cuando se combina con una segunda capa.

"Estos hallazgos inesperados abren la puerta a una forma completamente nueva de controlar los óxidos, "explica el autor principal, el Dr. Steven Spurgeon, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.

Spurgeon y sus colegas del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico respondieron a un extraño acertijo sobre el comportamiento de un material para usar la luz solar y el agua para crear hidrógeno. El material sufre una reordenación dinámica de átomos a medida que se forma. Este cambio puede dar lugar a propiedades y estructura de interfaz inesperadas. Con este entendimiento, los científicos pueden diseñar sus métodos de síntesis para tener en cuenta la dinámica del crecimiento y la reestructuración de los átomos. Los resultados podrían conducir a un control más preciso de las propiedades y el rendimiento de los materiales energéticos clave.

Los avances en síntesis y caracterización han permitido a los científicos fabricar materiales en muchas estructuras y químicas diferentes a casi el nivel de un solo átomo. Sin embargo, todavía es difícil predecir cómo interactuarán dos materiales, porque se pueden formar muchos tipos de defectos entre ellos. Debido a que la estructura de los materiales controla directamente sus propiedades, Es importante que los científicos puedan sintonizar con precisión cómo se forman y se conectan los materiales entre sí. En este estudio, Los investigadores de PNNL examinaron una película delgada de óxido de hierro de lantano y óxido de estroncio y titanio, LaFeO3 (LFO) y SrTiO3 (STO), respectivamente, capas juntas para producir un fotocatalizador para la división del agua solar.

Los investigadores primero trataron la capa de STO para cubrirla con un plano de óxido de estroncio (SrO) o un plano de dióxido de titanio (TiO2). que confirmaron usando espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. Ellos depositaron una capa de LFO encima de la STO usando epitaxia de haz molecular y tomaron imágenes de la estructura resultante usando microscopía electrónica de transmisión de barrido y espectroscopía de pérdida de energía electrónica. Extrañamente, sus mediciones de espectroscopía de pérdida de energía electrónica mostraron que ambas muestras tenían un plano de interfaz de TiO2 y que la capa de SrO había desaparecido durante el proceso de síntesis. Los investigadores realizaron cálculos de la teoría funcional de la densidad para diferentes configuraciones atómicas de la interfaz, encontrando que la capa de SrO era menos estable que el TiO2 y que podía perderse al formar vacantes de oxígeno. Este estudio ilustra cómo se forman los materiales a través de vías cinéticas complejas y que, al aprovechar el reordenamiento estructural dinámico, puede ser posible crear nuevos, materiales y propiedades nunca antes vistos.