p As perovskitas - qualquer material com a mesma estrutura do óxido de cálcio e titânio (CaTiO3) - continuam a atrair cientistas de materiais com sua ferroeletricidade, ferromagnetismo, atividade catalítica, e condutividade de íons de oxigênio. Nos últimos anos, os cientistas perceberam que poderiam melhorar muito as propriedades das perovskitas reunindo-as em filmes finos. O problema era que ninguém entendia por que os filmes finos superavam os materiais a granel. p Os pesquisadores obtiveram novos insights sobre a superioridade do filme fino ao sondar a estrutura das perovskitas na Divisão de Ciência de Raios-X 33-ID-D, Linha de luz de raios-X E na Fonte Avançada de Fótons (APS) do Departamento de Energia dos EUA, Laboratório Nacional de Argonne. Eles usaram uma abordagem inovadora para separar a estrutura de filme fino e a química camada por camada.

p Conforme os pesquisadores retiraram as camadas, eles descobriram isso, em vez de ter uma distribuição uniforme de elementos, havia diferenças drásticas na composição entre as camadas de filme fino. Esta observação pode ajudar os pesquisadores a projetar perovskitas de filme fino com atividade e estabilidade aprimoradas.

p Aplicações industriais para perovskitas, que reduzem eficientemente o oxigênio, incluem a conversão de energia de combustíveis fósseis em eletricidade, purificação de oxigênio, e eletrocatálise. A equipe de pesquisa, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Universidade Hebraica (Israel), Laboratório Nacional de Argonne, e o Oak Ridge National Laboratory estudou filmes finos LSCO - perovskitas feitas de lantânio, estrôncio, cobalto, e oxigênio (LSCO) - como um sistema modelo para estudar por que filmes finos têm maior poder de redução do que suas contrapartes a granel.

p Os pesquisadores estudaram dois filmes finos LSCO de 4 nm no APS, uma instalação de usuário do DOE Office of Science; um filme fino recozido foi previamente aquecido a 550 ° C por uma hora para simular configurações industriais do mundo real, enquanto o outro filme fino depositado foi deixado à temperatura ambiente.

p Os pesquisadores então coletaram intensidades de difração ao longo de 10 objetos espaciais recíprocos diferentes, chamados de "hastes de Bragg, "definido pelo substrato. Eles usaram Coherent Bragg Rod Analysis (COBRA) para determinar a estrutura atômica tridimensional (3-D) de cada camada de filme fino, com picos mais altos no mapa indicando um elemento com um número maior de elétrons, permitindo aos pesquisadores diferenciar elementos em diferentes locais dentro dos filmes finos LSCO.

p Mas o COBRA sozinho não fornece informações sobre a distribuição dos elementos que ocupam o mesmo sítio atômico dentro das camadas. Portanto, os pesquisadores aplicaram um segundo método chamado "COBRA diferencial de energia, "a saber, realizar medições COBRA ao longo das hastes de Bragg, variando as energias de raios-X incidentes em torno da borda K do estrôncio em cada ponto do espaço recíproco. Essa abordagem forneceu a fração de ocupação absoluta do estrôncio em uma camada por camada.

p O resultado final da combinação do COBRA convencional com o COBRA diferencial de energia foram imagens atômicas 3-D de alta resolução (sub-angstrom) dos filmes finos LSCO que incluíam informações sobre a distribuição elementar.

p As imagens atômicas 3-D mostraram claramente que o estrôncio tendia a se agrupar nas camadas externas dos filmes finos LSCO, enquanto o lantânio preencheu essas posições nas camadas mais profundas do filme. O estrôncio está quase totalmente ausente nas camadas de filme fino mais próximas do substrato.

p Os pesquisadores suspeitam que a segregação de estrôncio da superfície observada nos filmes finos LSCO pode explicar por que eles superam os materiais a granel. O lantânio e o estrôncio têm cargas diferentes, de modo que se uma camada tiver mais estrôncio, também deve ter menos oxigênio, ou mais vagas de oxigênio. A falta de oxigênio em uma camada externa de película fina, onde o estrôncio foi encontrado em abundância, significa que o material pode ter mais oportunidades de reagir com o oxigênio em sua superfície, explicando o desempenho aprimorado.

p A estrutura e a química das películas finas recozidas e depositadas eram semelhantes, sugerindo que o calor em si não altera a estrutura ou atividade do material. Em experiências futuras, os pesquisadores vão estudar filmes finos sujeitos a condições mais adversas do mundo real. Eles também têm como objetivo usar os conhecimentos obtidos na Fonte Avançada de Fótons para projetar melhores materiais de perovskita no futuro.