Un equipo de investigación del NIMS identificó con éxito los átomos y los defectos comunes que existen en la superficie más estable de la forma anatasa del dióxido de titanio al caracterizar este material a escala atómica con microscopía de sonda de barrido. Este trabajo fue publicado bajo la política de acceso abierto en la versión en línea de Comunicaciones de la naturaleza el 29 de junio 2015.

El equipo de investigación formado por Oscar Custance y Tomoko Shimizu, líder de grupo y científico senior, respectivamente, en el Atomic Force Probe Group, NIMS, Daisuke Fujita y Keisuke Sagisaka, líder de grupo e investigador senior, respectivamente, en el Grupo de Caracterización de Superficies, NIMS, y científicos de la Universidad Charles en la República Checa, Universidad Autónoma de Madrid en España, y otras organizaciones combinaron mediciones simultáneas de microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía de túnel de barrido (STM) con cálculos de primeros principios para la identificación inequívoca de las especies atómicas en la superficie más estable de la forma anatasa del dióxido de titanio (en lo sucesivo, anatasa). ) y sus defectos más comunes.

En años recientes, anatasa ha atraído una atención considerable, porque se ha convertido en un material fundamental en los dispositivos de fotocatálisis y para la conversión de energía solar en electricidad. Es extremadamente desafiante cultivar grandes cristales individuales de anatasa, y la mayoría de las aplicaciones de este material se encuentran en forma de nanocristales. Para mejorar la reactividad catalítica de la anatasa y la eficiencia de los dispositivos para la conversión de energía solar basados ​​en anatasa, Es fundamental obtener una comprensión profunda y el control de las reacciones que tienen lugar en la superficie de este material hasta el nivel atómico. Solo unos pocos grupos de investigación en todo el mundo poseen la tecnología para crear muestras de prueba adecuadas y realizar observaciones in situ a nivel atómico de superficies de anatasa.

En este estudio, El equipo de investigación utilizó muestras obtenidas de monocristales naturales anatasa extraídos de rocas anatasa naturales. El equipo caracterizó la superficie de la anatasa a nivel atómico mediante AFM y STM simultáneos. Usando moléculas de agua individuales como marcadores atómicos, el equipo identificó con éxito las especies atómicas de esta superficie; resultado que fue confirmado adicionalmente por la comparación de mediciones simultáneas de AFM y STM con los resultados de los cálculos de primeros principios.

En STM regular, en el que se escanea una sonda atómicamente afilada sobre la superficie manteniendo constante una corriente eléctrica que fluye entre ellos, Es difícil obtener imágenes de superficies de anatasa de forma estable ya que este material presenta una conductividad eléctrica deficiente en algunas de las posiciones atómicas de la superficie. Sin embargo, La operación simultánea de AFM y STM permitió obtener imágenes de la superficie con resolución atómica incluso dentro de la banda prohibida de los materiales (una región donde el flujo de corriente entre la sonda y la superficie es, en principio, prohibido). Aquí, la detección de fuerzas interatómicas entre el último átomo de la sonda atómicamente aguda y los átomos de la superficie por AFM fue de crucial importancia. Regulando la distancia de la superficie de la sonda usando AFM, fue posible obtener imágenes de la superficie a escala atómica mientras se recopilaban datos STM sobre áreas conductoras y no conductoras de la superficie. Comparando mediciones simultáneas de AFM y STM con simulaciones teóricas, El equipo no solo pudo discernir qué especies atómicas contribuían a las imágenes AFM y STM, sino también identificar los defectos más comunes encontrados en la superficie.

En el futuro, basado en la información obtenida de este estudio, El equipo de investigación del NIMS llevará a cabo investigaciones sobre moléculas de relevancia tecnológica que se adsorben en anatasa y caracterizarán estos sistemas híbridos mediante el uso simultáneo de AFM y STM. Su objetivo final es formular enfoques novedosos para el desarrollo de fotocatalizadores y materiales y dispositivos de células solares.

Este estudio fue publicado bajo la política de acceso abierto en la versión en línea de Comunicaciones de la naturaleza el 29 de junio 2015.