Compreender como os materiais se formam e se combinam é importante para projetar melhores dispositivos de coleta e armazenamento de energia. Agora, os pesquisadores registraram diretamente a imagem da perda de uma única camada de átomos em um fotocatalisador criado por camadas de dois óxidos. A equipe examinou a estrutura de uma única camada e da composição final, descobrir que um plano de átomos bem na fronteira do material foi perdido durante o processo de síntese. A equipe mostrou que a superfície do material inicial é instável e pode se reconfigurar dramaticamente quando combinada com uma segunda camada.

"Essas descobertas inesperadas abrem a porta para uma maneira totalmente nova de controlar os óxidos, "explica o autor principal, Dr. Steven Spurgeon, Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico.

Spurgeon e seus colegas do Pacific Northwest National Laboratory responderam a um estranho enigma sobre o comportamento de um material ao usar a luz do sol e a água para criar hidrogênio. O material passa por um rearranjo dinâmico de átomos à medida que se forma. Essa mudança pode dar origem a uma estrutura e propriedades de interface inesperadas. Com este entendimento, os cientistas podem projetar seus métodos de síntese para levar em conta a dinâmica de crescimento e a reestruturação dos átomos. Os resultados podem levar a um controle mais preciso das propriedades e do desempenho dos principais materiais de energia.

Os avanços na síntese e caracterização permitiram aos cientistas fabricar materiais em muitas estruturas e químicas diferentes em quase o nível de um único átomo. Contudo, ainda é difícil prever como dois materiais irão interagir, porque muitos tipos de defeitos podem se formar entre eles. Como a estrutura dos materiais controla diretamente suas propriedades, é importante para os cientistas serem capazes de ajustar precisamente como os materiais se formam e se conectam. Neste estudo, Os pesquisadores do PNNL examinaram o óxido de ferro de lantânio em filme fino e o óxido de titânio de estrôncio, LaFeO3 (LFO) e SrTiO3 (STO), respectivamente, em camadas para produzir um fotocatalisador para separação da água solar.

Os pesquisadores primeiro trataram a camada STO para cobri-la com um plano de óxido de estrôncio (SrO) ou um plano de dióxido de titânio (TiO2), que eles confirmaram usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X. Eles depositaram uma camada de LFO no topo do STO usando epitaxia de feixe molecular e fotografaram a estrutura resultante usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura e espectroscopia de perda de energia de elétrons. Estranhamente, suas medições de espectroscopia de perda de energia de elétrons mostraram que ambas as amostras tinham um plano de interface de TiO2 e que a camada de SrO havia desaparecido durante o processo de síntese. Os pesquisadores realizaram cálculos da teoria funcional da densidade para diferentes configurações atômicas da interface, descobrindo que a camada de SrO era menos estável do que TiO2 e que poderia ser perdida pela formação de vacâncias de oxigênio. Este estudo ilustra como os materiais se formam através de caminhos cinéticos complexos e que aproveitando o rearranjo estrutural dinâmico, pode ser possível criar novos, materiais e propriedades nunca antes vistos.