Una combinación única de herramientas de imágenes y simulaciones a nivel atómico ha permitido que un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía resuelva un debate de larga data sobre las propiedades de un material prometedor que puede recolectar energía de la luz.
Los investigadores utilizaron imágenes multimodales para "ver" las interacciones a nanoescala dentro de una película delgada de perovskita orgánica-inorgánica híbrida, un material útil para las células solares. Determinaron que el material es ferroelástico, lo que significa que puede formar dominios de tensión polarizada para minimizar el elásticoenergía. Este hallazgo fue contrario a los supuestos anteriores de que el material es ferroeléctrico, lo que significa que puede formar dominios de carga eléctrica polarizada para minimizar la energía eléctrica.
"Descubrimos que la señal mecánica de las personas estaba equivocada en las mediciones electromecánicas estándar, lo que resultó en una mala interpretación de la ferroelectricidad", dijo Yongtao Liu de ORNL, cuya contribución al estudio se convirtió en el foco de su tesis doctoral en la Universidad de Tennessee,Knoxville UTK.
Olga Ovchinnikova, quien dirigió los experimentos en el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase CNMS de ORNL, agregó: "Utilizamos imágenes químicas multimodales - microscopía de sonda de exploración combinada con espectrometría de masas y espectroscopia óptica - para mostrar que este material es ferroelástico ycómo la ferroelasticidad impulsa la segregación química "
Los resultados, reportados en Materiales de la naturaleza reveló que las cepas diferenciales hacen que las moléculas ionizadas migren y se segreguen dentro de las regiones de la película, lo que resulta en una química local que puede afectar el transporte de la carga eléctrica.
La comprensión de que este conjunto único de herramientas de imagen permite a los investigadores correlacionar mejor la estructura y la función y ajustar las películas de recolección de energía para un mejor rendimiento.
"Queremos hacer de forma predictiva granos de tamaños y geometrías particulares", dijo Liu. "La geometría controlará la deformación y la deformación controlará la química local".
Para su experimento, los investigadores hicieron una película delgada al hacer girar una perovskita sobre un sustrato de vidrio recubierto con óxido de indio y estaño. Este proceso creó la superficie conductora y transparente que necesitaría un dispositivo fotovoltaico, pero también generó tensión.la cepa, se formaron pequeños dominios ferroelásticos. Un tipo de dominio eran los "granos", que se parecen a lo que se puede ver volando sobre tierras de cultivo con parches de diferentes cultivos sesgados entre sí. Dentro de los granos, se formaron subdominios, similares a las filasde dos tipos de plantas que se alternan en un parche de tierras de cultivo. Estas filas adyacentes pero opuestas son "dominios gemelos" de productos químicos segregados.
La técnica que los científicos utilizaron anteriormente para afirmar que el material era ferroeléctrico fue la microscopía de fuerza piezorespuesta "piezo" significa "presión", en la cual la punta de un microscopio de fuerza atómica AFM mide un desplazamiento mecánico debido a su acoplamiento con polarización eléctricaa saber, desplazamiento electromecánico ". Pero en realidad no estás midiendo el verdadero desplazamiento del material", advirtió Ovchinnikova. "Estás midiendo la desviación de todo este 'trampolín' del voladizo". Por lo tanto, los investigadores utilizaronUna nueva técnica de medición para separar la dinámica en voladizo del desplazamiento del material debido a la piezorespuesta: la opción del sensor de desplazamiento interferométrico IDS para Cypher AFM, desarrollada por el coautor Roger Proksch, CEO de Oxford Instruments Asylum Research. Encontraron la respuestaen este material es solo de dinámica en voladizo y no es una verdadera respuesta piezoeléctrica, lo que demuestra que el material no es ferroeléctrico.
"Nuestro trabajo muestra que el efecto que se cree debido a la polarización ferroeléctrica puede explicarse por la segregación química", dijo Liu.
Las diversas mediciones de microscopía y espectroscopía del estudio proporcionaron datos experimentales para validar simulaciones a nivel atómico. Las simulaciones aportan información predictiva que podría usarse para diseñar futuros materiales.
"Podemos hacer esto debido al entorno único en el CNMS donde tenemos caracterización, teoría y síntesis, todo bajo un mismo techo", dijo Ovchinnikova. "No solo utilizamos la espectrometría de masas porque [le] proporciona informaciónsobre química local. También utilizamos espectroscopía óptica y simulaciones para observar la orientación de las moléculas, lo cual es importante para comprender estos materiales. Esta capacidad de cohesión química de imagen en ORNL aprovecha nuestra imagen funcional ".
Las colaboraciones con la industria permiten que ORNL tenga herramientas únicas disponibles para los científicos, incluidas aquellas que resolvieron el debate sobre la verdadera naturaleza del material de recolección de luz. Por ejemplo, un instrumento que utiliza microscopía de iones de helio HIM para eliminar e ionizar moléculasse combinó con una espectroscopía de masas de iones secundaria SIMS para identificar moléculas basadas en sus pesos.El instrumento HIM-SIMS ZEISS ORION NanoFab se puso a disposición de ORNL del desarrollador ZEISS para pruebas beta y es uno de los dos únicos instrumentos del mundo.Del mismo modo, el instrumento IDS de Asylum Research, que es un vibrómetro láser Doppler, también se puso a disposición de ORNL para pruebas beta y es el único que existe.
"Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge son, naturalmente, una buena opción para trabajar con la industria porque poseen una experiencia única y pueden usar primero las herramientas de la forma en que están destinadas", dijo Proksch of Asylum. "ORNL tiene una instalación [CNMS] que pone los instrumentos y la experiencia a disposición de muchos usuarios científicos que pueden probar herramientas en diferentes problemas y proporcionar una fuerte retroalimentación durante las pruebas beta a medida que los proveedores desarrollan y mejoran las herramientas, en este caso nuestro nuevo AFM metrológico IDS "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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