A nova configuração desenvolvida para este estudo permite o crescimento de monocristais de hidretos de pervoskita ternários, o que é notoriamente desafiador. Por sua vez, esses cristais de alta qualidade na forma de filmes finos podem ser usados para medir a condutividade intrínseca do íon hidreto dessas perovskitas, como mostrado na figura inferior direita. Crédito:Erika Fukushi do Instituto de Tecnologia Shibaura As perovskitas são atualmente um tema quente na ciência dos materiais devido às suas propriedades notáveis e aplicações potenciais, incluindo tecnologias de energia sustentável, catálise e optoeletrônica, para citar alguns.
Hidretos de perovskita, cuja estrutura molecular contém ânions de hidrogênio (H
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), atraem atenção especial devido às suas propriedades derivadas do hidrogênio. Muitos especialistas acreditam que estes compostos podem ser fundamentais no estudo e desenvolvimento de tecnologias de armazenamento de hidrogénio, tais como células de combustível e baterias de próxima geração, bem como cabos supercondutores que economizam energia.
Embora os hidretos de perovskita representem uma plataforma única para a ciência de materiais aplicados, caracterizar suas propriedades físicas tem se mostrado um desafio. Em particular, medindo o H
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a condutividade desses materiais cristalinos não é direta. Na maioria dos estudos, os pesquisadores utilizam amostras em pó em suas análises de caracterização, o que significa que H
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a condução é afetada pelas irregularidades ("limites de grão") nos cristais.
Para obter valores verdadeiros para o H
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intrínseco condutividade de uma determinada perovskita, é necessário produzir um único cristal uniforme e contínuo com o mínimo de imperfeições possível. Para hidretos de perovskita ternários complexos, conseguir isso é difícil, e muito poucos grupos de pesquisa tentaram fazê-lo.
Em um estudo recente publicado na ACS Applied Energy Materials em 8 de abril de 2024, uma equipe de pesquisadores, incluindo a estudante de doutorado Erika Fukushi, do Departamento de Sistemas Ambientais Regionais da Escola de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência do Instituto de Tecnologia de Shibaura (SIT), Japão, decidiu enfrentar o desafio.
Usando uma abordagem inovadora para produzir monocristais de alta qualidade, a equipe realizou algumas das primeiras medições de condução intrínseca em hidretos ternários de perovskita. Este trabalho é de coautoria de Fumiya Mori, Kota Munefusa e Hiroyuki Oguchi do SIT e Takayuki Harada do Instituto Nacional de Ciência de Materiais.
Para produzir os cristais únicos de perovskita, os pesquisadores desenvolveram e foram pioneiros em um método poderoso chamado "deposição de laser infravermelho reativo de radical H". Esta abordagem envolve direcionar um laser infravermelho sobre uma pelota rotativa em forma de disco contendo os átomos de metal da perovskita desejada.
Em seu estudo, os pesquisadores queriam produzir MLiH3 (onde M é Sr ou Ba), e assim o pellet foi feito de uma mistura grosseiramente comprimida de MH2 e pós de LiH. À medida que esta pelota foi aquecida pelo laser, os metais foram liberados dela em uma atmosfera circundante rica em radicais H, obtida pela injeção de hidrogênio na câmara de reação através de um filamento de tungstênio aquecido.
Perto da pelota havia um substrato cuidadosamente selecionado, sobre o qual o hidrogênio e os metais se combinaram espontaneamente para formar a perovskita desejada. À medida que os átomos começaram a se acumular no substrato, eles se organizaram espontaneamente e se alinharam de maneira consistente com as camadas cristalinas abaixo deles. Isto levou ao crescimento epitaxial de um nanofilme no substrato.
“Nossa abordagem é única em sua capacidade de realizar a deposição em uma atmosfera radical de hidrogênio, promovendo significativamente a reação entre o metal e o hidrogênio”, explica Fukushi. "Isso resulta na síntese de filmes finos de hidreto monofásico, hidrogenando totalmente os átomos metálicos que tendem naturalmente a persistir no filme."
Os pesquisadores realizaram múltiplas deposições a laser sob diversas condições e caracterizaram minuciosamente os filmes finos resultantes. Usando muitas técnicas avançadas, incluindo difração de raios X, microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de varredura, eles determinaram a distribuição elementar e a cristalinidade de cada um dos filmes. Dessa forma, eles determinaram as condições ideais em sua configuração experimental para o cultivo de MLiH monocristalino bem ordenado3 .
Depois de confirmar a ausência de contornos de grão nos filmes, a equipe pôde finalmente realizar H
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medições de condutividade. Vale a pena notar que estas foram as primeiras medições do H
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intrínseco condutividade desses cristais, uma informação crucial para a seleção de materiais em muitas aplicações relacionadas ao hidrogênio.
“Novas baterias secundárias e células de combustível podem ser desenvolvidas usando condução de íons hidreto”, comenta Fukushi. “Essas tecnologias poderiam encorajar a difusão de veículos eléctricos e de energias renováveis, contribuindo em última análise para a construção de uma sociedade sustentável e economizadora de energia.”
