ANSTO contribuiu para pesquisas lideradas pela Universidade de Sydney, envolvendo dopagem de metais de transição em um polimorfo de óxido de bismuto em busca de maior estabilidade estrutural.

Polimorfo cúbico de óxido de bismuto de alta temperatura, δ-Bi2O3, é o condutor iônico de óxido mais conhecido, mas sua estreita faixa de estabilidade (729-817 ° C), que está próximo de sua temperatura de fusão de 817 ° C impede seu uso prático.

Uma grande colaboração, liderada pelo Professor Chris Ling e Dra. Julia Wind (como parte de seu Ph.D.) da University of Sydney envolvendo pesquisadores da ANSTO e de duas outras universidades, alcançou o projeto e a compreensão da complexa estrutura cristalina e química por trás de uma estrutura proporcional dentro do óxido de bismuto estabilizado condutor de íons rápidos, co-dopado com cromo e nióbio, Bi23CrNb3O45.

O estudo foi publicado no Química de Materiais .

A Dra. Zhaoming Zhang da ANSTO (foto abaixo à direita) forneceu sua experiência em espectroscopia de absorção de raios-X para o estudo.

Os dados de absorção de raios X de baixa e alta energia perto da estrutura da borda (XANES) foram obtidos a partir das linhas de feixe de raios X suaves (SXR) e espectroscopia de absorção de raios X (XAS) no Síncrotron australiano, respectivamente, e dados XANES de média energia da linha de luz 'Tender' no National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) em Taiwan, que ajudou a esclarecer detalhes da superestrutura complexa, em conjunto com nêutron, raios-X síncrotron e difração de elétrons, microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução e cálculos ab initio.

"A espectroscopia é muito importante neste caso por causa da variedade de possíveis estados de oxidação e estruturas locais para os dopantes de metal de transição, "disse Zhang.

"Os espectros XANES não só fornecem informações sobre o estado de oxidação dos dopantes metálicos, mas também a coordenação local e a geometria do local em torno deles, o que foi muito informativo para esta investigação. "

Em um cristal "normal", o cristal é construído repetindo a célula unitária por translação ao longo das 3 direções do espaço.

Para estruturas moduladas, a periodicidade está em mais de três dimensões. Se a razão do período de modulação para o comprimento da célula unitária for racional, a modulação é chamada de 'proporcional', caso contrário, torna-se 'incomensurável'.

Como o vetor de modulação ε variou com o tipo de dopantes de metal de transição e a razão de bismuto para metal de transição, os investigadores tinham duas variáveis ​​independentes para sintonizar quimicamente a composição em busca de uma estrutura ε =1/3 proporcional, que foi encontrado em Bi23CrNb3O45.

"A interpretação dos dados da espectroscopia foi um tanto desafiadora devido à complexidade da superestrutura. Os resultados não apenas confirmaram a presença de cromo hexavalente e nióbio pentavalente em Bi23CrNb3O45, mas também nos informou que cada nióbio está rodeado por seis oxigênios e o cromo por quatro oxigênios, "disse Zhang.

Na superestrutura, os oxigênios em torno dos metais de transição são ordenados localmente formando aglomerados tetraédricos de octaedros NbO6 e tetraedros CrO4 isolados, separar regiões do tipo fluorita relativamente desordenadas que facilitam a condução iônica de alto óxido. (Veja a estrutura de cristal acima)

"Embora a dopagem de óxido de bismuto com metais de terras raras exiba maior condutividade, os óxidos de bismuto dopados com metal de transição podem oferecer melhor estabilidade a longo prazo, "disse Zhang.

Embora este seja um estudo fundamental, o óxido de bismuto é de considerável interesse como material porque seus defeitos de oxigênio móvel podem atuar como transportadores de carga em dispositivos iônicos, como células de combustível de óxido sólido.

Um novo, a linha de luz XAS de média energia está sendo planejada no Síncrotron australiano como parte da iniciativa Br-GHT. "Depois de construído, não precisaremos mais viajar para Taiwan para experimentos XANES de média energia, "disse Zhang.