Att förstå hur material formas och kombineras med varandra är viktigt för att designa bättre energiskördande och -lagringsenheter. Nu, forskare har direkt avbildat förlusten av ett enda lager av atomer i en fotokatalysator skapad genom att lägga två oxider i lager. Teamet undersökte strukturen för ett enda lager och den slutliga kompositen, upptäckte att ett plan av atomer precis vid materialgränsen gick förlorat under syntesprocessen. Teamet visade att utgångsmaterialets yta är instabil och kan dramatiskt omkonfigureras när den kombineras med ett andra lager.

"Dessa oväntade fynd öppnar dörren till ett helt nytt sätt att kontrollera oxider, " förklarar huvudförfattaren Dr. Steven Spurgeon, Pacific Northwest National Laboratory.

Spurgeon och hans kollegor vid Pacific Northwest National Laboratory svarade på en konstig gåta om beteendet hos ett material för att använda solljus och vatten för att skapa väte. Materialet genomgår en dynamisk omarrangering av atomer när det bildas. Denna förändring kan ge upphov till en oväntad gränssnittsstruktur och egenskaper. Med denna förståelse, forskare kan utforma sina syntesmetoder för att ta hänsyn till tillväxtdynamik och omstrukturering av atomer. Resultaten kan leda till mer exakt kontroll av egenskaper och prestanda hos viktiga energimaterial.

Framsteg inom syntes och karakterisering har gjort det möjligt för forskare att tillverka material i många olika strukturer och kemi på nästan en atomnivå. Dock, det är fortfarande svårt att förutsäga hur två material kommer att interagera, eftersom många typer av defekter kan bildas mellan dem. Eftersom materialstrukturen direkt styr deras egenskaper, det är viktigt för forskare att kunna justera hur material formas och ansluter till varandra. I den här studien, PNNL-forskare undersökte tunnfilmslantanjärnoxid och strontiumtitanoxid, LaFeO3 (LFO) och SrTiO3 (STO), respektive, skiktade ihop för att producera en fotokatalysator för solvattenklyvning.

Forskarna behandlade först STO-skiktet för att täcka det med antingen ett strontiumoxidplan (SrO) eller ett titandioxidplan (TiO2), vilket de bekräftade med hjälp av röntgenfotoelektronspektroskopi. De deponerade ett LFO-skikt ovanpå STO med användning av molekylär strålepitaxi och avbildade den resulterande strukturen med användning av sveptransmissionselektronmikroskopi och elektronenergiförlustspektroskopi. Underligt, deras elektronenergiförlustspektroskopi-mätningar visade att båda proverna hade ett TiO2-gränssnittsplan och att SrO-skiktet hade försvunnit under syntesprocessen. Forskarna genomförde densitetsfunktionella teoriberäkningar för olika atomära konfigurationer av gränssnittet, fann att SrO-skiktet var mindre stabilt än TiO2 och att det kunde gå förlorat genom att bilda syrevakanser. Denna studie illustrerar hur material bildas genom komplexa kinetiska vägar och det genom att utnyttja dynamisk strukturell omarrangering, det kan vara möjligt att tillverka nytt, aldrig tidigare skådade material och egenskaper.