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  • Controle de filmes finos com pintura em spray atômico

    A síntese de alta precisão e as medições de filmes finos de óxido ajudaram os pesquisadores a determinar como o ferro afeta o funcionamento do material, por exemplo, em sua capacidade de converter água em oxigênio em uma célula de combustível. Crédito:Timothy Holland | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

    Sem filmes finos, não haveria eletrônicos modernos ou espelhos de alta qualidade. Os chips semicondutores usados ​​em nossos telefones celulares e computadores dependem de filmes finos feitos de materiais diferentes, incluindo óxidos de metal que contêm pelo menos um metal além de oxigênio.

    Filmes finos de óxido de metal servem como mais do que apenas uma camada dentro da eletrônica. Eles têm aplicações em detecção, catálise, e armazenamento de energia. A criação de filmes finos que podem substituir a camada de líquido em baterias ou promover transformações químicas específicas requer a compreensão dos materiais em um nível atômico. No Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), os pesquisadores estão estudando como projetar filmes finos de óxido de metal que podem ser aproveitados para produzir energia limpa.

    "Gosto de pensar no que fazemos como pintar um alvo com átomos, "disse o cientista de materiais do PNNL e pesquisador de laboratório Scott Chambers. Sua equipe usa uma técnica, chamado epitaxia de feixe molecular, para depositar elementos átomo por átomo no topo de um cristal sólido. Isso permite que os pesquisadores façam de alta qualidade, filmes finos cristalinos com controle preciso sobre sua composição e estrutura.

    Por exemplo, algumas películas finas sempre conduzem eletricidade e outras não. Empilhando filmes diferentes, os cientistas podem mudar a forma como respondem a uma corrente elétrica.

    "Nossa capacidade de desenvolver tecnologias avançadas de energia depende de quão bem podemos fazer finas camadas de materiais, "disse Peter Sushko, um cientista de materiais no PNNL.

    Fazer filmes de óxido extremamente finos com alta precisão requer equipamento de síntese avançado. Este equipamento está sendo movido para um novo e maior laboratório no Centro de Ciências da Energia (ESC) do PNNL. A equipe Atomically Precise Materials usa atualmente dois sistemas de epitaxia de feixe molecular e um instrumento de deposição de laser pulsado. A adição planejada de outro instrumento de deposição de laser pulsado expandirá a capacidade da equipe de criar mais e diferentes filmes finos experimentais.

    Pequenas mudanças em filmes finos têm impactos significativos

    Le Wang, um cientista de materiais PNNL, liderou um estudo recente que aproveitou filmes finos atomicamente precisos para fazer catalisadores estáveis ​​de alto desempenho. Eles descobriram que variando a composição do óxido de ferro níquel lantânio (LaNi 1-x Fe x O 3 ou LNFO) filmes finos afetam sua capacidade de converter água em oxigênio. Esta reação é importante para a produção de energia limpa. O LNFO tem o potencial de reduzir a necessidade ou substituir catalisadores caros à base de metais preciosos.

    Pesquisas anteriores demonstraram que substituir parte do níquel por ferro no óxido de níquel de lantânio aumenta a capacidade do material de gerar oxigênio. Contudo, a razão exata para essa atividade intensificada não estava clara.

    Le Wang usa um instrumento de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X para medir a composição e a estrutura eletrônica de filmes finos sintetizados. Crédito:Andrea Starr | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

    A equipe de pesquisa do PNNL usou seus filmes e instrumentação de alta precisão para lidar com essa incerteza. O trabalho, publicado em Nano Letras , fornece evidências claras e explicações de porque a mistura de níquel e ferro leva a uma formação de oxigênio mais eficiente.

    Os pesquisadores do PNNL sintetizaram uma série de filmes finos de LNFO de alta qualidade, de óxido de níquel de lantânio puro a óxido de ferro de lantânio e uma variedade de composições entre eles. Eles também estabeleceram vários padrões de alta qualidade, todos medidos com o mesmo equipamento, que permitiu que os pesquisadores se concentrassem em pequenas, mas consequente, mudanças na estrutura eletrônica dos materiais.

    As pequenas mudanças mostraram o ferro transferindo alguns de seus elétrons para o níquel em um processo conhecido como transferência de carga. A transferência de carga torna mais fácil para o material converter água em oxigênio. A identificação dessa transferência de carga nunca vista antes deu aos pesquisadores uma visão sobre por que o LNFO atua como um catalisador melhor.

    Modelagem para compreensão em escala atômica

    A equipe usa uma abordagem multifacetada em sua pesquisa. Eles sintetizam novos materiais e caracterizam sua estrutura em laboratório. Contudo, os experimentos de bancada têm limites para a quantidade de detalhes que podem revelar. A arma não tão secreta da equipe? Teoria.

    Combinar teoria e experimentos gera percepções mais profundas sobre filmes finos de óxido. A modelagem computacional fornece uma visão sobre como os átomos se movem na superfície do filme e como os elétrons se reorganizam em escalas menores que o diâmetro de um átomo. Neste projeto, os pesquisadores queriam ver se os átomos no LNFO simulado mostravam os mesmos sinais sutis de transferência de carga que observaram no laboratório.

    "Foi um dia emocionante quando recebemos os cálculos de Peter [Sushko] e eles combinaram nossos dados experimentais tão bem, "disse Wang." Esses resultados realmente validaram nosso argumento sobre a importância da transferência de carga no LNFO. "

    Olhando para o futuro dos filmes finos

    Esta pesquisa continuará no ESC, onde grandes janelas irão destacar um novo espaço de laboratório de alta visibilidade. Qualquer pessoa que entrar no lobby do ESC poderá ver os pesquisadores fazendo novas amostras. "Estamos entusiasmados com a janela para a nossa ciência que a mudança proporcionará aos visitantes do ESC, "disse Sushko." Além do laboratório maior e da instrumentação adicional, estamos todos ansiosos para ficar juntos no mesmo prédio. "

    A seguir? Os pesquisadores planejam substituir parcialmente o lantânio por estrôncio no mesmo sistema de filme, criando um óxido com quatro metais diferentes. Isso ajudará a equipe a entender melhor as mudanças nas estruturas e propriedades de filmes de óxidos complexos. A compreensão de tais processos guiará novos esforços de síntese para projetar catalisadores ainda melhores.


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