Las perovskitas, cualquier material con la misma estructura que el óxido de calcio y titanio (CaTiO3), continúan atrayendo a los científicos de materiales con su ferroelectricidad, ferromagnetismo, actividad catalítica, y conductividad de iones de oxígeno. En años recientes, Los científicos se dieron cuenta de que podían mejorar enormemente las propiedades de las perovskitas ensamblándolas en películas delgadas. El problema era que nadie entendía por qué las películas delgadas vencen a los materiales a granel.

Los investigadores obtuvieron una nueva visión de la superioridad de la película delgada al sondear la estructura de las perovskitas en la División de Ciencias de Rayos X 33-ID-D, E línea de rayos X en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) del Departamento de Energía de EE. UU., Laboratorio Nacional Argonne. Utilizaron un enfoque innovador para separar la estructura de película delgada y la química capa por capa.

A medida que los investigadores despegaban las capas, ellos encontraron que, en lugar de tener una distribución uniforme de elementos, había diferencias drásticas en la composición entre las capas de película fina. Esta observación puede ayudar a los investigadores a diseñar perovskitas de película delgada con mayor actividad y estabilidad.

Aplicaciones industriales de perovskitas, que reducen eficientemente el oxígeno, incluir la conversión de energía de combustibles fósiles en electricidad, purificación de oxígeno, y electrocatálisis. El equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Universidad Hebrea (Israel), Laboratorio Nacional Argonne, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge estudiaron películas delgadas de LSCO:perovskitas hechas de lantano, estroncio, cobalto, y oxígeno (LSCO):como un sistema modelo para estudiar por qué las películas delgadas tienen mayor poder reductor que sus contrapartes a granel.

Los investigadores estudiaron dos películas delgadas LSCO de 4 nm en el APS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE; una película delgada recocida se había calentado previamente a 550 ° C durante una hora para simular entornos industriales del mundo real, mientras que la otra película delgada tal como se depositó se dejó a temperatura ambiente.

Luego, los investigadores recolectaron intensidades de difracción a lo largo de 10 objetos espaciales recíprocos diferentes, llamado "varillas de Bragg, "definido por el sustrato. Utilizaron el análisis de varillas de Bragg coherente (COBRA) para determinar la estructura atómica tridimensional (3-D) de cada capa de película delgada, con picos más altos en el mapa que indican un elemento con un mayor número de electrones, permitiendo a los investigadores diferenciar elementos en diferentes sitios dentro de las películas delgadas de LSCO.

Pero COBRA por sí solo no proporciona información sobre la distribución de elementos que ocupan el mismo sitio atómico dentro de las capas. Por lo tanto, los investigadores aplicaron un segundo método llamado "diferencial de energía COBRA, "a saber, realizar mediciones COBRA a lo largo de las barras de Bragg variando las energías de rayos X incidentes alrededor del borde K del estroncio en cada punto del espacio recíproco. Este enfoque proporcionó la fracción absoluta de ocupación de estroncio capa por capa.

El resultado final de combinar COBRA convencional con COBRA diferencial de energía fueron imágenes atómicas tridimensionales de alta resolución (subangstrom) de las películas delgadas de LSCO que incluían información sobre la distribución elemental.

Las imágenes atómicas tridimensionales mostraron claramente que el estroncio tendía a agruparse en las capas externas de las películas delgadas de LSCO. mientras que el lantano llenó esas posiciones en las capas más profundas de la película. El estroncio está casi completamente ausente en las capas de película delgada más cercanas al sustrato.

Los investigadores sospechan que la segregación superficial de estroncio observada en las películas delgadas de LSCO puede explicar por qué superan a los materiales a granel. El lantano y el estroncio tienen cargas diferentes, tal que si una capa tiene más estroncio, también debe tener menos oxígeno, o más vacantes de oxígeno. Una escasez de oxígeno en una capa externa de película delgada, donde se encontró que el estroncio era abundante, significa que el material puede tener más oportunidades de reaccionar con el oxígeno en su superficie, explicando el rendimiento mejorado.

La estructura y la química de las películas delgadas recocidas y depositadas fueron similares, sugiriendo que el calor en sí mismo no altera la estructura o actividad del material. En experimentos futuros, los investigadores estudiarán películas delgadas sujetas a condiciones más duras del mundo real. También tienen como objetivo utilizar los conocimientos adquiridos en Advanced Photon Source para diseñar mejores materiales de perovskita en el futuro.