Rörelse av elektroner bland atomerna i ett material (kallad konduktivitet) är avgörande för många av materialets egenskaper. I denna forskning, forskare fann olika konduktivitetssätt i magnetit (Fe 3 O 4 ) när en tredjedel av järnatomerna (Fe) ersätts med krom (Cr) för att bilda halvledaren kromferrit (Fe) 2 CrO 4 ); se bild. De förstår nu hur elektronerna hoppar från en atom till en annan, avbildad av den svarta pilen, som är aktiva då krom ersätter järn i strukturen. Kredit:Scott Chambers
Att avsätta ett lager av atomer i taget kan resultera i material som avsevärt förbättrar bränsleceller, batterier och andra enheter. I denna forskning, forskare tillsatte exakt krom till järnoxider för att kontrollera de elektroniska och optiska egenskaperna. Resultatet blev en välordnad tunn film av kromferrit (Fe 2 CrO 4 ). Kromferrit blir mer elektriskt ledande genom att absorbera ljus. Materialet kan vara användbart för vitala solprocesser, såsom vattenklyvning för att göra väte för bränsle, kylvätskor med mera.
Forskningen ger insikter om hur man designar och tillverkar material med nya prestandaegenskaper. Till exempel, forskare kunde använda de oväntade optiska egenskaperna hos kromferritfilmer för att producera väte från vatten och solljus. Väte är avgörande i kemisk industri och petroleumindustri och som kylmedel. Ytterligare, väte blir alltmer populärt som bränsle för transporter eller för elproduktion.
I denna forskning, forskare använde molekylär strålepitaxi för att deponera exakt bestämda mängder järn (Fe), krom (Cr) och syre (O) atomer för att göra material som förutspåddes ha olika grader av elektrisk ledningsförmåga, allt från högledande till elektriskt isolerande. Utredarna gjorde Fe 3 O 4 (en halvmetall), Fe 2 CrO 4 (en halvledare) och FeCr 2 O 4 (en isolator). Denna studie klargjorde de ledande egenskaperna hos dessa järnkromoxider, visar hur elementens positioner i kristallgittret, oxidationstillstånd eller laddning (för katjonerna), och elektronernas förmåga att röra sig inom strukturen resulterade i deras respektive ledande egenskaper.
Strukturen av Fe 2 CrO 4 visade sig vara en spinell, har Fe i de tetraedriska positionerna, men både Cr och Fe i de oktaedriska positionerna. Fe visade sig vara i ett av två oxidationstillstånd, +2 eller +3, men Cr visade sig bara ha en +3 laddning. Som ett resultat, elektroner kunde hoppa mellan Fe-katjoner vid tetraedriska och oktaedriska platser. Dock, teamet fann att konduktiviteten var lägre än den i Fe 3 O 4 , där elektroner fritt kan hoppa mellan Fe 2 + och Fe 3 + på oktaedriska platser. I fallet med FeCr 2 O 4 , Fe är endast närvarande som en 2+ katjon.
Som ett resultat, det finns inget sätt för elektroner att hoppa från Fe till Fe, och materialet är en elektrisk isolator. Laget visade att Fe 2 CrO 4 absorberar synligt ljus vilket leder till förbättrad elektrisk ledningsförmåga, eller fotokonduktivitet. De optiska och elektroniska egenskaperna hos Fe 2 CrO 4 tyder på att detta material kan vara användbart för viktiga fotoelektrokemiska processer i solenergi som vattenklyvning.
