Perovskiter är för närvarande ett hett ämne inom materialvetenskap på grund av deras anmärkningsvärda egenskaper och potentiella tillämpningar, inklusive hållbar energiteknik, katalys och optoelektronik, för att nämna några.
Perovskithydrider, vars molekylära struktur innehåller väteanjoner (H − ), lockar särskild uppmärksamhet på grund av deras väte-härledda egenskaper. Många experter tror att dessa föreningar kan vara nyckeln i studien och utvecklingen av teknik för lagring av väte, såsom bränsleceller och nästa generations batterier, såväl som energibesparande supraledande kablar.
Även om perovskithydrider utgör en unik plattform för tillämpad materialvetenskap, har det visat sig vara utmanande att karakterisera deras fysikaliska egenskaper. I synnerhet mätning av H − ledningsförmågan hos dessa kristallina material är inte okomplicerad. I de flesta studier använder forskare pulveriserade prover i sina karakteriseringsanalyser, vilket innebär att H − ledning påverkas av oregelbundenheterna ("korngränser") i kristallerna.
För att få sanna värden för det inneboende H − ledningsförmågan hos en given perovskit, måste man producera en enhetlig, kontinuerlig enkristall med så få defekter som möjligt. För komplexa ternära perovskithydrider är det svårt att uppnå detta, och väldigt få forskargrupper har försökt det.
I en nyligen publicerad studie publicerad i ACS Applied Energy Materials den 8 april 2024 beslutade ett team av forskare inklusive doktoranden Erika Fukushi från Institutionen för regionala miljösystem vid Graduate School of Engineering and Science vid Shibaura Institute of Technology (SIT), Japan, att stå upp mot utmaningen.
Med hjälp av ett innovativt tillvägagångssätt för att producera högkvalitativa enkristaller, utförde teamet några av de första inre ledningsmätningarna på ternära perovskithydrider. Detta arbete är medförfattare av Fumiya Mori, Kota Munefusa och Hiroyuki Oguchi från SIT och Takayuki Harada från National Institute for Materials Science.
För att producera perovskit-enkristallerna utvecklade forskarna och banade väg för en kraftfull metod som kallas "H-radical reactive infrared laser deposition." Detta tillvägagångssätt innebär att en infraröd laser lyser på en roterande skivformad pellet som innehåller metallatomerna i den önskade perovskiten.
I sin studie ville forskarna ta fram MLiH3 (där M är antingen Sr eller Ba), och sålunda gjordes pelleten av en grovt komprimerad blandning av MH2 och LiH-pulver. När denna pellet värmdes upp av lasern, släpptes metallerna från den till en omgivande H-radikal-rik atmosfär, erhållen genom att injicera väte i reaktionskammaren genom en uppvärmd volframfilament.
I närheten av pelleten fanns ett noggrant utvalt substrat, på vilket vätet och metallerna spontant kombinerades för att bilda den önskade perovskiten. När atomer började samlas på substratet arrangerades de spontant och anpassade sig på ett konsekvent sätt med kristallskikten under dem. Detta ledde till epitaxiell tillväxt av en nanofilm på substratet.
"Vårt tillvägagångssätt är unikt i sin förmåga att utföra avsättning i en radikal väteatmosfär, vilket avsevärt främjar reaktionen mellan metallen och väte", förklarar Fukushi. "Detta resulterar i syntesen av enfasiga hydridtunna filmer genom att helt hydrera metallatomerna som naturligt tenderar att kvarstå i filmen."
Forskarna utförde flera laseravsättningar under en mängd olika förhållanden och karakteriserade noggrant de resulterande tunna filmerna. Med hjälp av många avancerade tekniker, inklusive röntgendiffraktion, atomkraftsmikroskopi och svepelektronmikroskopi, bestämde de elementarfördelningen och kristalliniteten för var och en av filmerna. På detta sätt bestämde de de optimala förhållandena i sin experimentuppställning för att odla välordnad, enkristall MLiH3 .
Efter att ha bekräftat frånvaron av korngränser i filmerna kunde teamet äntligen genomföra H − konduktivitetsmätningar. Värt att notera, dessa var de första mätningarna av det inneboende H − ledningsförmågan hos dessa kristaller, en avgörande information för att välja material i många väterelaterade tillämpningar.
"Nya sekundära batterier och bränsleceller kan utvecklas med hjälp av hydridjonledning", kommenterar Fukushi. "Sådan teknik skulle kunna uppmuntra spridningen av elfordon och förnybar energi, och i slutändan bidra till konstruktionen av ett energibesparande hållbart samhälle."
Mer information: Erika Fukushi et al, Epitaxial Thin Film Growth of Perovskite Hydrides MLiH3 (M :Sr, Ba) for the Study of Intrinsic Hydride-Ion Conduction, ACS Applied Energy Materials (2024). DOI:10.1021/acsaem.3c03188
Tillhandahålls av Shibaura Institute of Technology
