Comprendre comment les matériaux se forment et se combinent les uns avec les autres est important pour concevoir de meilleurs dispositifs de récupération et de stockage d'énergie. Maintenant, les chercheurs ont directement imagé la perte d'une seule couche d'atomes dans un photocatalyseur créé en superposant deux oxydes. L'équipe a examiné la structure d'une seule couche et celle du composite final, constatant qu'un plan d'atomes juste à la frontière matérielle a été perdu pendant le processus de synthèse. L'équipe a montré que la surface du matériau de départ est instable et peut se reconfigurer considérablement lorsqu'elle est combinée avec une deuxième couche.

"Ces découvertes inattendues ouvrent la porte à une toute nouvelle façon de contrôler les oxydes, " explique l'auteur principal, le Dr Steven Spurgeon, Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique.

Spurgeon et ses collègues du Pacific Northwest National Laboratory ont répondu à une étrange énigme sur le comportement d'un matériau pour utiliser la lumière du soleil et de l'eau pour créer de l'hydrogène. Le matériau subit un réarrangement dynamique des atomes au fur et à mesure de sa formation. Ce changement peut donner lieu à une structure et des propriétés d'interface inattendues. Avec cette compréhension, les scientifiques peuvent concevoir leurs méthodes de synthèse pour tenir compte de la dynamique de croissance et de la restructuration des atomes. Les résultats pourraient conduire à un contrôle plus précis des propriétés et des performances des matériaux énergétiques clés.

Les progrès de la synthèse et de la caractérisation ont permis aux scientifiques de fabriquer des matériaux dans de nombreuses structures et chimies différentes presque au niveau d'un seul atome. Cependant, il est encore difficile de prédire comment deux matériaux vont interagir, car de nombreux types de défauts peuvent se former entre eux. Parce que la structure des matériaux contrôle directement leurs propriétés, il est important que les scientifiques puissent régler avec précision la façon dont les matériaux se forment et se connectent les uns aux autres. Dans cette étude, Les chercheurs du PNNL ont examiné l'oxyde de fer au lanthane et l'oxyde de titane strontium en couche mince, LaFeO3 (LFO) et SrTiO3 (STO), respectivement, superposées pour produire un photocatalyseur pour la séparation solaire de l'eau.

Les chercheurs ont d'abord traité la couche de STO pour la recouvrir avec un plan d'oxyde de strontium (SrO) ou un plan de dioxyde de titane (TiO2), ce qu'ils ont confirmé en utilisant la spectroscopie photoélectronique aux rayons X. Ils ont déposé une couche LFO au-dessus du STO en utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire et ont imagé la structure résultante en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage et la spectroscopie de perte d'énergie électronique. Étrangement, leurs mesures de spectroscopie de perte d'énergie électronique ont montré que les deux échantillons avaient un plan d'interface TiO2 et que la couche de SrO avait disparu pendant le processus de synthèse. Les chercheurs ont effectué des calculs de théorie fonctionnelle de la densité pour différentes configurations atomiques de l'interface, constatant que la couche de SrO était moins stable que TiO2 et qu'elle pouvait être perdue en formant des lacunes d'oxygène. Cette étude illustre comment les matériaux se forment à travers des voies cinétiques complexes et qu'en exploitant le réarrangement structurel dynamique, il peut être possible de fabriquer de nouveaux, des matériaux et des propriétés inédits.