En ny kombination av mikroskopi och databehandling har gett forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory en aldrig tidigare skådad titt på ytan av ett material känt för sina ovanliga fysikaliska och elektrokemiska egenskaper.

Forskargruppen ledd av ORNL:s Zheng Gai undersökte hur syre påverkar ytan av en perovskitmanganit, ett komplext material som uppvisar dramatiskt magnetiskt och elektroniskt beteende. Den nya vägen för att förstå ytbeteende kan gynna forskare som är intresserade av att använda ett brett utbud av korrelerade oxidmaterial för tillämpningar som fasta bränsleceller eller syresensorer.

"Ytegenskaper är nyckeln för alla känsliga applikationer, eftersom ytan styr interaktionen med omvärlden, " sa medförfattaren Art Baddorf.

Teamets resultat, publiceras i Naturkommunikation , understryka varför materialen kallas "starkt korrelerade:" Eftersom de kemiska och fysikaliska funktionerna är kopplade, varje mindre förändring kan påverka hela systemet.

"Det är som att materialet har många knoppar, och om du fyller år, alla egenskaper förändras, " Sa Gai. "Du vrider på en annan ratt och det hela förändras igen. Det visar sig att ytan är en annan ratt - du kan använda den för att ändra egenskaperna."

Forskarna använde högupplöst skanningstunnelmikroskopi för att generera bilder av manganitytan - ner till nivån 30 pikometer. En pikometer är en biljondels meter. De bearbetade sedan bilddata för att bestämma positionen för varje atom och beräkna vinklarna mellan atomerna.

"Att veta var atomerna är placerade visar hur de interagerar, sa Baddorf.

De resulterande "distorsionskartorna" visade på strukturella områden som kallas domäner som inte var lätt att identifiera i de råa bilderna. Kartorna visade tydligt hur närvaron av syreatomer tvingade in atomerna i ett rutmönster som kallas en Jahn-Teller-förvrängning. Gai säger att lagets studie är första gången fenomenet har observerats på ett materials yta.

"Syret förändrar ytenergin totalt, " Sa Gai. "När du introducerar syre, elektronerna gillar inte att bilda en rät linje; de sicksackar för att komma till ett lägre energitillstånd. Denna förvrängning är ett mycket vanligt begrepp i bulkmaterial, men ingen har kunnat visa denna effekt på ytan tidigare."

Studien är publicerad som "Kemiskt inducerad Jahn-Teller-beställning på manganitytor." Medförfattare är ORNL:s Wenzhi Lin, Paul Snijders, Thomas Ward, J. Shen, Stephen Jesse, Sergej Kalinin, och Arthur Baddorf; University of Nebraskas J.D. Burton och Evgeny Tsymbal; och IHI Corporations K. Fuchigami.

Denna forskning utfördes delvis vid Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science-användaranläggning. DOE:s Office of Science stödde forskningen. Arbetet vid University of Nebraska-Lincoln stöddes av National Science Foundation.