O movimento de elétrons entre os átomos em um material (referido como condutividade) é crítico para muitas das propriedades do material. Nesta pesquisa, os cientistas encontraram diferentes modos de condutividade na magnetita (Fe 3 O 4 ) quando um terço dos átomos de ferro (Fe) são substituídos por cromo (Cr) para formar a ferrita semicondutora de cromo (Fe 2 CrO 4 ); veja a imagem. Eles agora entendem como os elétrons saltam de um átomo para outro, representado pela seta preta, que são ativos como o cromo substitui o ferro na estrutura. Crédito:Scott Chambers
O depósito de uma camada de átomos por vez pode resultar em materiais que melhoram muito as células de combustível, baterias e outros dispositivos. Nesta pesquisa, os cientistas adicionaram cromo aos óxidos de ferro com precisão para controlar as propriedades eletrônicas e ópticas. O resultado foi uma fina película altamente ordenada de ferrita de cromo (Fe 2 CrO 4 ) A ferrita de cromo se torna mais condutora de eletricidade ao absorver a luz. O material pode ser útil para processos solares vitais, como a divisão da água para produzir hidrogênio para combustível, refrigerantes e muito mais.
A pesquisa oferece insights sobre como projetar e fabricar materiais com novas características de desempenho. Por exemplo, os cientistas poderiam usar as propriedades ópticas inesperadas dos filmes de ferrite de cromo para produzir hidrogênio a partir da água e da luz solar. O hidrogênio é vital nas indústrias química e de petróleo e como refrigerante. Avançar, o hidrogênio é cada vez mais popular como combustível para transporte ou geração de eletricidade.
Nesta pesquisa, os cientistas usaram epitaxia de feixe molecular para depositar quantidades precisamente determinadas de ferro (Fe), átomos de cromo (Cr) e oxigênio (O) para fazer materiais que deveriam ter vários graus de condutividade elétrica, variando de altamente condutivo a eletricamente isolante. Os investigadores fizeram Fe 3 O 4 (um meio metal), Fe 2 CrO 4 (um semicondutor) e FeCr 2 O 4 (um isolante). Este estudo esclareceu as propriedades condutoras desses óxidos de cromo ferro, mostrando como as posições dos elementos na estrutura cristalina, estado de oxidação ou carga (para os cátions), e a capacidade dos elétrons de se moverem dentro da estrutura resultou em suas respectivas propriedades condutoras.
A estrutura do Fe 2 CrO 4 foi mostrado ser um espinélio, tendo Fe nas posições tetraédricas, mas ambos Cr e Fe nas posições octaédricas. O Fe foi encontrado em um dos dois estados de oxidação, +2 ou +3, mas descobriu-se que Cr tinha apenas uma carga +3. Como resultado, elétrons podem saltar entre cátions Fe em sítios tetraédricos e octaédricos. Contudo, a equipe descobriu que a condutividade era inferior à do Fe 3 O 4 , onde os elétrons podem saltar livremente entre Fe 2 + e Fe 3 + em sítios octaédricos. No caso do FeCr 2 O 4 , Fe está presente apenas como um cátion 2+.
Como resultado, não há como os elétrons pularem de Fe para Fe, e o material é um isolante elétrico. A equipe mostrou que Fe 2 CrO 4 absorve a luz visível, levando a uma condutividade elétrica aprimorada, ou fotocondutividade. As propriedades ópticas e eletrônicas do Fe 2 CrO 4 sugerem que este material pode ser útil para processos fotoeletroquímicos solares importantes, como separação de água.
