В попытке создать оксид металла со свойствами металла исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики создали новую форму оксида металла. Этот конкретный оксид стронция-хрома работает как полупроводник или материал, способность которого проводить электричество можно включать и выключать. Это также позволяет кислороду легко диффундировать, что является требованием для твердооксидных топливных элементов. Еще лучше то, что он обеспечивает диффузию при температуре, которая может привести к гораздо более эффективным топливным элементам.
Ничего не естьИсследователям энергетики нужны улучшенные материалы для более широкого использования топливных элементов.
Для твердооксидных топливных элементов требуются оксиды, способные поглощать и передавать отрицательно заряженные атомы кислорода при низкой температуре. Современные материалы требуют температуры около 800 градусов по Цельсию (для справки, автомобильные двигатели работают при температуре около 200 градусов по Цельсию, а сталь плавится около 1500).Исследователи из PNNL пытались получить оксид хрома стронция в кристаллической форме, называемой перовскитом, который обладает многими полезными электронными свойствами.
В этом материале атомы стронция, хрома и кислорода складываются в куб. Атомы металлов — стронция и хрома — полностью связываются с окружающими их атомами кислорода.Однако в образовавшемся материале оксид хрома стронция упакован в кристалл ромбовидной формы — например, алмаз — и многие атомы кислорода отсутствуют.Более того, дыры, на которых находились атомы кислорода, также называемые кислородными вакансиями, собрались вместе, чтобы сформировать четко определенные плоскости в новой кристаллической структуре.
Исследователи обнаружили, что эти плоскости действуют как каналы, которые позволяют кислороду извне материала диффундировать через материал при исключительно низкой для этих материалов температуре, около 250 градусов Цельсия.«При достаточно высоких концентрациях кислородные вакансии агрегируют и образуют новые мезомасштабные структуры с новыми свойствами, которых нет у исходного материала», — сказал ученый-материаловед PNNL Скотт Чемберс, который руководил исследованием. «В этом случае мезомасштабная кристаллическая структура очень эффективно пропускает кислород».Плохие угловые облигации
Ученые непреднамеренно создали материал, воспользовавшись естественной тенденцией атомов хрома избегать определенных условий связывания. Они обнаружили, что их попытки получить металлический SrCrO3 (оксид стронция хрома в соотношении 1: 1: 3) вместо этого приводят к образованию полупроводникового SrCrO2,8 (в соотношении 1: 1: 2,8).Поскольку хром как ион с зарядом +4 не любит образовывать 90-градусные связи с кислородом, как это должно происходить в SrCrO3, вместо этого образуется SrCrO2,8 с совершенно другой кристаллической структурой. Этот материал содержит области с дефицитом кислорода, через которые кислород может очень легко диффундировать.
Эти области могут дать возможность лучше использовать электронные свойства материала.«В качестве дополнительного преимущества упорядоченные массивы кислородных вакансий могут позволить нам разделить электронные и тепловые свойства материала», — сказал Чемберс. «Это поможет нам улучшить характеристики термоэлектриков при выработке энергии за счет тепла или для использования в холодильном оборудовании».
Команда сделала сверхчистые кристаллические пленки из нового материала и использовала инструменты и опыт в EMSL, лаборатории молекулярных наук Министерства энергетики США, чтобы понять свойства материала. Ученые из Управления науки Министерства энергетики США (DOE Office of Science User Facility) работали с Чемберсом над разработкой нового прибора, называемого системой осаждения молекулярно-лучевой эпитаксии с кислородной подачей, который специально разработан для создания и изучения этих видов кристаллических пленок.К свету и электронам
В будущем команда планирует применить полученные знания к другим материалам, таким как осаждение, характеристика и понимание эпитаксиального хромита лантана, легированного стронцием, который имеет потенциальное значение для сбора видимого света.В долгосрочной перспективе команда планирует использовать наблюдаемое явление для выполнения нанопроизводства новых гетерогенных каталитических структур путем нанесения субмонослойных количеств каталитически важных металлов на поверхность ромбовидного полупроводникового оксида и использования пересечения плоскостей дефектов с свободная поверхность, чтобы упорядочить входящие атомы металла в нанопроволоки.
Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США, EMSL и PNNL.