En una fina película de un material de energía solar, las moléculas en dominios gemelos (modeladas en los paneles izquierdo y derecho) se alinean en orientaciones opuestas dentro de los límites de los granos (mostrados por microscopía electrónica de barrido en el panel central). La deformación puede cambiar la segregación química y puede diseñarse para ajustar la eficiencia fotovoltaica. Crédito:Stephen Jesse / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Una combinación única de herramientas de imágenes y simulaciones a nivel atómico ha permitido a un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía resolver un debate de larga data sobre las propiedades de un material prometedor que puede recolectar energía de la luz.
Los investigadores utilizaron imágenes multimodales para "ver" interacciones a nanoescala dentro de una película delgada de perovskita híbrida orgánico-inorgánica. un material útil para células solares. Determinaron que el material es ferroelástico, lo que significa que puede formar dominios de tensión polarizada para minimizar la energía elástica. Este hallazgo fue contrario a los supuestos anteriores de que el material es ferroeléctrico, lo que significa que puede formar dominios de carga eléctrica polarizada para minimizar la energía eléctrica.
"Descubrimos que las personas estaban equivocadas con la señal mecánica en las mediciones electromecánicas estándar, resultando en la mala interpretación de la ferroelectricidad, "dijo Yongtao Liu de ORNL, cuya contribución al estudio se convirtió en el foco de su Ph.D. tesis en la Universidad de Tennessee, Knoxville (UTK).
Olga Ovchinnikova, quien dirigió los experimentos en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL (CNMS), adicional, "Utilizamos imágenes químicas multimodales, microscopía de sonda de barrido combinada con espectrometría de masas y espectroscopía óptica, para mostrar que este material es ferroelástico y cómo la ferroelasticidad impulsa la segregación química".
Los resultados, reportado en Materiales de la naturaleza , reveló que las cepas diferenciales hacen que las moléculas ionizadas migren y se segreguen dentro de las regiones de la película, resultando en química local que puede afectar el transporte de carga eléctrica.
La comprensión de que este conjunto único de herramientas de imágenes permite a los investigadores correlacionar mejor la estructura y la función y ajustar las películas de recolección de energía para un mejor rendimiento.
"Queremos hacer granos de forma predictiva de tamaños y geometrías particulares, "Dijo Liu." La geometría va a controlar la tensión, y la cepa va a controlar la química local ".
Para su experimento, Los investigadores hicieron una película delgada mediante la fundición giratoria de una perovskita sobre un sustrato de vidrio recubierto de óxido de indio y estaño. Este proceso creó el conductor, superficie transparente que necesitaría un dispositivo fotovoltaico, pero también genera tensión. Para aliviar la tensión, se formaron diminutos dominios ferroelásticos. Un tipo de dominio era "granos, "que se parecen a lo que podrías ver volando sobre tierras de cultivo con parches de diferentes cultivos sesgados entre sí. Dentro de los granos, subdominios formados, similar a las filas de dos tipos de plantas que se alternan en un parche de tierra de cultivo. Estas filas adyacentes pero opuestas son "dominios gemelos" de sustancias químicas segregadas.
La técnica que los científicos usaban anteriormente para afirmar que el material era ferroeléctrico era la microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica ("piezo" significa "presión), en el que la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) mide un desplazamiento mecánico debido a su acoplamiento con la polarización eléctrica, es decir, Desplazamiento electromecánico. "Pero en realidad no estás midiendo el verdadero desplazamiento del material, "Advirtió Ovchinnikova." Estás midiendo la desviación de todo este 'trampolín' del voladizo ". los investigadores utilizaron una nueva técnica de medición para separar la dinámica en voladizo del desplazamiento del material debido a la respuesta piezoeléctrica:la opción del sensor de desplazamiento interferométrico (IDS) para el Cypher AFM, desarrollado por el coautor Roger Proksch, Director ejecutivo de Oxford Instruments Asylum Research. Descubrieron que la respuesta en este material proviene solo de la dinámica en voladizo y no es una verdadera respuesta piezoeléctrica, demostrando que el material no es ferroeléctrico.
"Nuestro trabajo muestra que el efecto que se cree debido a la polarización ferroeléctrica puede explicarse por la segregación química, "Dijo Liu.
Las diversas mediciones de microscopía y espectroscopía del estudio proporcionaron datos experimentales para validar las simulaciones a nivel atómico. Las simulaciones aportan conocimientos predictivos que podrían utilizarse para diseñar materiales futuros.
"Podemos hacer esto debido al entorno único en CNMS donde tenemos caracterización, teoría y síntesis, todo bajo un mismo techo, ", Dijo Ovchinnikova." No utilizamos la espectrometría de masas simplemente porque te da información sobre la química local. También usamos espectroscopía óptica y simulaciones para observar la orientación de las moléculas, lo cual es importante para comprender estos materiales. Una capacidad de imágenes químicas tan cohesiva en ORNL aprovecha nuestras imágenes funcionales ".
Las colaboraciones con la industria permiten que ORNL tenga herramientas únicas disponibles para los científicos, incluidos los que resolvieron el debate sobre la verdadera naturaleza del material de captación de luz. Por ejemplo, un instrumento que utiliza microscopía de iones de helio (HIM) para eliminar e ionizar moléculas se acopló con una espectroscopía de masas de iones secundarios (SIMS) para identificar moléculas en función de sus pesos. El instrumento HIM-SIMS ZEISS ORION NanoFab se puso a disposición de ORNL del desarrollador ZEISS para pruebas beta y es uno de los dos únicos instrumentos de este tipo en el mundo. Similar, el instrumento IDS de Asylum Research, que es un vibrómetro láser Doppler, también se puso a disposición de ORNL para pruebas beta y es el único que existe.
"Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge son naturalmente una buena opción para trabajar con la industria porque poseen una experiencia única y pueden usar primero las herramientas de la manera en que deben hacerlo. ", dijo Proksch of Asylum." ORNL tiene una instalación [CNMS] que hace que los instrumentos y la experiencia estén disponibles para muchos usuarios científicos que pueden probar herramientas sobre diferentes problemas y proporcionar comentarios sólidos durante las pruebas beta a medida que los proveedores desarrollan y mejoran las herramientas, en este caso nuestro nuevo AFM metrológico IDS ".
