Perovskiter – vilket material som helst med samma struktur som kalciumtitanoxid (CaTiO3) – fortsätter att locka materialforskare med sin ferroelektricitet, ferromagnetism, katalytisk aktivitet, och syrejonkonduktivitet. På senare år har forskare insåg att de avsevärt kunde förbättra egenskaperna hos perovskiter genom att sätta ihop dem till tunna filmer. Problemet var att ingen förstod varför tunna filmer slog ut bulkmaterial.

Forskare fick ny insikt om tunnfilmsöverlägsenhet genom att undersöka strukturen av perovskiter vid X-ray Science Division 33-ID-D, Röntgenstrållinje vid det amerikanska energidepartementets avancerade fotonkälla (APS), Argonne National Laboratory. De använde ett banbrytande tillvägagångssätt för att riva isär tunnfilmsstrukturen och kemin lager för lager.

När forskarna skalade tillbaka lagren, de fann att, istället för att ha en enhetlig fördelning av element, det fanns drastiska skillnader i sammansättning mellan tunnfilmsskikten. Denna observation kan hjälpa forskare att designa tunnfilmsperovskiter med ökad aktivitet och stabilitet.

Industriella tillämpningar för perovskiter, som effektivt minskar syre, inbegripa omvandling av energi från fossila bränslen till el, syrerening, och elektrokatalys. Forskargruppen, från Massachusetts Institute of Technology, Hebreiska universitetet (Israel), Argonne National Laboratory, och Oak Ridge National Laboratory studerade LSCO-tunna filmer - perovskiter gjorda av lantan, strontium, kobolt, och oxygen (LSCO) - som ett modellsystem för att studera varför tunna filmer har större reducerande kraft än sina motsvarigheter i bulk.

Forskarna studerade två 4-nm LSCO-tunna filmer vid APS, en DOE Office of Science-användaranläggning; en glödgad tunn film hade tidigare värmts till 550 ° C i en timme för att simulera verkliga industriella miljöer, medan den andra avsatta tunna filmen lämnades vid rumstemperatur.

Forskarna samlade sedan in diffraktionsintensiteter längs 10 olika ömsesidiga rymdobjekt, kallas "Bragg stavar, " definieras av substratet. De använde Coherent Bragg Rod Analysis (COBRA) för att bestämma den tredimensionella (3-D) atomära strukturen för varje tunnfilmsskikt, med högre toppar i kartan som indikerar ett element med ett större antal elektroner, gör det möjligt för forskarna att särskilja element på olika platser inom LSCO:s tunna filmer.

Men COBRA ensam ger inte information om fördelningen av element som upptar samma atomplats inom lagren. Därför, forskarna tillämpade en andra metod som kallas "energidifferentiell COBRA, " nämligen utföra COBRA-mätningar längs Bragg-stavar genom att variera de infallande röntgenenergierna runt strontium-K-kanten vid varje reciprok rymdpunkt. Detta tillvägagångssätt gav den absoluta strontiumupptagningsfraktionen på ett lager-för-lager-sätt.

Slutresultatet av att kombinera konventionell COBRA med energiskillnad COBRA var högupplösta (sub-ångström) 3D-atombilder av LSCO-tunna filmer som inkluderade information om elementarfördelning.

3D-atombilderna visade tydligt att strontium tenderade att klunga ihop sig i de yttre lagren av LSCO-tunna filmer, medan lantan fyllde dessa positioner i de djupare lagren av filmen. Strontium är nästan helt frånvarande i tunnfilmsskikten närmast substratet.

Forskarna misstänker att ytsegregering av strontium som observerats i LSCO-tunna filmer kan förklara varför de överträffar bulkmaterial. Lantan och strontium har olika laddningar, så att om ett lager har mer strontium, den måste också ha mindre syre, eller fler syrgasvakanser. Brist på syre i ett tunnfilms yttre lager, där strontium befanns vara rikligt, innebär att materialet kan ha större möjligheter att reagera med syre på sin yta, förklara den förbättrade prestandan.

Strukturen och kemin hos de glödgade och avsatta tunna filmerna var liknande, vilket tyder på att värmen i sig inte förändrar materialets struktur eller aktivitet. I framtida experiment, forskarna kommer att studera tunna filmer som utsätts för tuffare verkliga förhållanden. De syftar också till att använda insikterna från Advanced Photon Source för att designa bättre perovskitmaterial i framtiden.