En unik kombination av bildverktyg och simuleringar på atomnivå har gjort det möjligt för ett team ledd av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory att lösa en långvarig debatt om egenskaperna hos ett lovande material som kan skörda energi från ljus.

Forskarna använde multimodal avbildning för att "se" interaktioner i nanoskala i en tunn film av hybrid organisk-oorganisk perovskit, ett material användbart för solceller. De fastställde att materialet är ferroelastiskt, vilket betyder att det kan bilda domäner av polariserad töjning för att minimera elastisk energi. Detta fynd stod i strid med tidigare antaganden om att materialet är ferroelektriskt, vilket betyder att det kan bilda domäner av polariserad elektrisk laddning för att minimera elektrisk energi.

"Vi fann att människor blev vilseledda av den mekaniska signalen i vanliga elektromekaniska mätningar, resulterar i feltolkning av ferroelektricitet, " sa Yongtao Liu från ORNL, vars bidrag till studien blev fokus för hans doktorsexamen. avhandling vid University of Tennessee, Knoxville (UTK).

Olga Ovchinnikova, som ledde experimenten vid ORNL:s Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), Lagt till, "Vi använde multimodal kemisk avbildning - skanningsprobmikroskopi kombinerat med masspektrometri och optisk spektroskopi - för att visa att detta material är ferroelastiskt och hur ferroelasticiteten driver kemisk segregation."

Resultaten, redovisas i Naturmaterial , avslöjade att differentiella stammar orsakar joniserade molekyler att migrera och segregera inom områden av filmen, vilket resulterar i lokal kemi som kan påverka transporten av elektrisk laddning.

Den förståelse som denna unika svit av bildbehandlingsverktyg möjliggör gör det möjligt för forskare att bättre korrelera struktur och funktion och finjustera energiskördande filmer för förbättrad prestanda.

"Vi vill förutsägande göra korn av speciella storlekar och geometrier, " sa Liu. "Geometrin kommer att kontrollera spänningen, och stammen kommer att kontrollera den lokala kemin."

För deras experiment, forskarna gjorde en tunn film genom att spinngjuta en perovskit på ett indiumtennoxidbelagt glassubstrat. Denna process skapade den ledande, genomskinlig yta som en solcellsenhet skulle behöva – men genererade också påkänning. För att lindra påfrestningen, små ferroelastiska domäner bildas. En typ av domän var "korn, "som ser ut som vad du kan se flyga över jordbruksmark med fläckar av olika grödor sneda i förhållande till varandra. Inom spannmål, bildade underdomäner, liknar rader med två växttyper omväxlande i en yta av jordbruksmark. Dessa intilliggande men motsatta rader är "tvillingdomäner" av segregerade kemikalier.

Tekniken som forskare tidigare använde för att hävda att materialet var ferroelektriskt var piezoresponskraftmikroskopi ("piezo" betyder "tryck), där spetsen på ett atomkraftmikroskop (AFM) mäter en mekanisk förskjutning på grund av dess koppling med elektrisk polarisation - nämligen, elektromekanisk förskjutning. "Men du mäter faktiskt inte den verkliga förskjutningen av materialet, " Ovchinnikova varnade. "Du mäter nedböjningen av hela den här "styckbrädan" av fribäraren." forskarna använde en ny mätteknik för att separera fribärande dynamik från förskjutning av materialet på grund av piezorespons - alternativet Interferometric Displacement Sensor (IDS) för Cypher AFM, utvecklad av medförfattaren Roger Proksch, VD för Oxford Instruments Asylum Research. De fann att svaret i detta material är från enbart fribärande dynamik och inte är ett sant piezosvar, bevisar att materialet inte är ferroelektriskt.

"Vårt arbete visar att effekten som tros på grund av ferroelektrisk polarisation kan förklaras av kemisk segregation, " sa Liu.

Studiens olika mätningar av mikroskopi och spektroskopi gav experimentella data för att validera simuleringar på atomnivå. Simuleringarna ger prediktiva insikter som kan användas för att designa framtida material.

"Vi kan göra detta på grund av den unika miljön på CNMS där vi har karaktärisering, teori och syntes allt under ett tak, "Ovchinnikova sa. "Vi använde inte bara masspektrometri eftersom [det] ger dig information om lokal kemi. Vi använde också optisk spektroskopi och simuleringar för att titta på orienteringen av molekylerna, vilket är viktigt för att förstå dessa material. En sådan sammanhängande kemisk avbildningsförmåga hos ORNL utnyttjar vår funktionella avbildning."

Samarbeten med industrin gör det möjligt för ORNL att ha unika verktyg tillgängliga för forskare, inklusive de som avgjorde debatten om den sanna naturen hos ljusupptagningsmaterialet. Till exempel, ett instrument som använder heliumjonmikroskopi (HIM) för att ta bort och jonisera molekyler kopplades till en sekundär jonmasspektroskopi (SIMS) för att identifiera molekyler baserat på deras vikter. HIM-SIMS-instrumentet ZEISS ORION NanoFab gjordes tillgängligt för ORNL från utvecklaren ZEISS för betatestning och är ett av endast två sådana instrument i världen. Liknande, IDS-instrumentet från Asylum Research, som är en laserdopplervibrometer, gjordes också tillgänglig för ORNL för betatestning och är den enda som finns.

"Forskare från Oak Ridge National Laboratory passar naturligtvis bra för att arbeta med industrin eftersom de besitter unik expertis och kan först använda verktygen på det sätt som de är avsedda att, " sa Proksch från Asylum. "ORNL har en anläggning [CNMS] som gör instrument och expertis tillgängliga för många vetenskapliga användare som kan testa verktyg på olika problem och ge stark feedback under betatester när leverantörer utvecklar och förbättrar verktygen, i det här fallet vår nya IDS metrologiska AFM."