Uma combinação única de ferramentas de imagem e simulações em nível atômico permitiu que uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, resolvesse um antigo debate sobre as propriedades de um material promissor que pode coletar energia da luz.

Os pesquisadores usaram imagens multimodais para "ver" as interações em nanoescala dentro de um filme fino de perovskita orgânica-inorgânica híbrida, um material útil para células solares. Eles determinaram que o material é ferroelástico, o que significa que pode formar domínios de deformação polarizada para minimizar a energia elástica. Esta descoberta foi contrária às suposições anteriores de que o material é ferroelétrico, o que significa que pode formar domínios de carga elétrica polarizada para minimizar a energia elétrica.

"Descobrimos que as pessoas foram desencaminhadas pelo sinal mecânico em medições eletromecânicas padrão, resultando na má interpretação de ferroeletricidade, "disse Yongtao Liu do ORNL, cuja contribuição para o estudo passou a ser o foco de seu doutorado. tese na Universidade do Tennessee, Knoxville (UTK).

Olga Ovchinnikova, que dirigiu os experimentos no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos (CNMS) do ORNL, adicionado, "Usamos imagens químicas multimodais - microscopia de varredura por sonda combinada com espectrometria de massa e espectroscopia óptica - para mostrar que este material é ferroelástico e como a ferroelasticidade conduz a segregação química."

As evidências, relatado em Materiais da Natureza , revelou que as cepas diferenciais fazem com que as moléculas ionizadas migrem e segregem dentro de regiões do filme, resultando em química local que pode afetar o transporte de carga elétrica.

A compreensão de que esse conjunto exclusivo de ferramentas de imagem permite que os pesquisadores correlacionem melhor a estrutura e a função e façam o ajuste fino dos filmes de coleta de energia para melhorar o desempenho.

"Queremos fazer grãos de forma preditiva de tamanhos e geometrias particulares, "Liu disse." A geometria vai controlar a deformação, e a cepa vai controlar a química local. "

Para seu experimento, os pesquisadores fizeram uma película fina lançando uma perovskita em um substrato de vidro revestido com óxido de estanho e índio. Este processo criou o condutor, superfície transparente que um dispositivo fotovoltaico precisaria - mas também gerou tensão. Para aliviar a tensão, minúsculos domínios ferroelásticos formados. Um tipo de domínio era "grãos, "que se parece com o que você pode ver voando sobre terras agrícolas com manchas de culturas diferentes distorcidas em relação umas às outras. Dentro dos grãos, subdomínios formados, semelhante a fileiras de dois tipos de plantas alternando em um patch de terra. Essas linhas adjacentes, mas opostas, são "domínios gêmeos" de produtos químicos segregados.

A técnica que os cientistas usaram anteriormente para afirmar que o material era ferroelétrico foi a microscopia de força piezoresponse ("piezo" significa "pressão), em que a ponta de um microscópio de força atômica (AFM) mede um deslocamento mecânico devido ao seu acoplamento com a polarização elétrica, ou seja, deslocamento eletromecânico. "Mas você não está realmente medindo o verdadeiro deslocamento do material, "Ovchinnikova avisou." Você está medindo a deflexão de todo este 'trampolim' do cantilever. "Portanto, os pesquisadores usaram uma nova técnica de medição para separar a dinâmica do cantilever do deslocamento do material devido à piezoresposta - a opção do sensor de deslocamento interferométrico (IDS) para o Cypher AFM, desenvolvido pelo co-autor Roger Proksch, CEO da Oxford Instruments Asylum Research. Eles descobriram que a resposta neste material vem apenas da dinâmica do cantilever e não é uma resposta piezométrica verdadeira, provando que o material não é ferroelétrico.

“Nosso trabalho mostra que o efeito que se acredita devido à polarização ferroelétrica pode ser explicado pela segregação química, "Liu disse.

As diversas medições de microscopia e espectroscopia do estudo forneceram dados experimentais para validar simulações em nível atômico. As simulações trazem percepções preditivas que podem ser usadas para projetar materiais futuros.

“Somos capazes de fazer isso por causa do ambiente único no CNMS, onde temos caracterização, teoria e síntese sob o mesmo teto, "Ovchinnikova disse." Não utilizamos apenas a espectrometria de massa porque [ela] fornece informações sobre a química local. Também usamos espectroscopia óptica e simulações para observar a orientação das moléculas, o que é importante para a compreensão desses materiais. Essa capacidade de imagem química coesa no ORNL alavanca nossa imagem funcional. "

Colaborações com a indústria permitem que ORNL tenha ferramentas exclusivas disponíveis para cientistas, incluindo aqueles que resolveram o debate sobre a verdadeira natureza do material de coleta de luz. Por exemplo, um instrumento que usa microscopia de íon de hélio (HIM) para remover e ionizar moléculas foi acoplado a uma espectroscopia de massa de íon secundária (SIMS) para identificar moléculas com base em seus pesos. O instrumento HIM-SIMS ZEISS ORION NanoFab foi disponibilizado ao ORNL pelo desenvolvedor ZEISS para teste beta e é um dos únicos dois instrumentos no mundo. De forma similar, o instrumento IDS da Asylum Research, que é um vibrômetro Doppler a laser, também foi disponibilizado ao ORNL para testes beta e é o único existente.

"Os pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge são naturalmente adequados para trabalhar com a indústria porque possuem experiência única e são capazes de usar as ferramentas da maneira que devem, "disse Proksch of Asylum." ORNL tem uma instalação [CNMS] que disponibiliza instrumentos e conhecimentos para muitos usuários científicos que podem testar ferramentas em diferentes problemas e fornecer feedback forte durante o teste beta à medida que os fornecedores desenvolvem e melhoram as ferramentas, neste caso, nosso novo AFM metrológico IDS. "