Dans un film mince d'un matériau d'énergie solaire, les molécules dans les domaines jumeaux (modélisés dans les panneaux de gauche et de droite) s'alignent dans des orientations opposées dans les limites des grains (montré par microscopie électronique à balayage dans le panneau central). La souche peut modifier la ségrégation chimique et peut être conçue pour régler l'efficacité photovoltaïque. Crédit :Stephen Jesse/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Une combinaison unique d'outils d'imagerie et de simulations au niveau atomique a permis à une équipe dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie de résoudre un débat de longue date sur les propriétés d'un matériau prometteur capable de capter l'énergie de la lumière.
Les chercheurs ont utilisé l'imagerie multimodale pour « voir » les interactions à l'échelle nanométrique au sein d'un film mince de pérovskite hybride organique-inorganique, un matériau utile pour les cellules solaires. Ils ont déterminé que le matériau est ferroélastique, ce qui signifie qu'il peut former des domaines de déformation polarisée pour minimiser l'énergie élastique. Cette découverte était contraire aux hypothèses précédentes selon lesquelles le matériau est ferroélectrique, ce qui signifie qu'il peut former des domaines de charge électrique polarisée pour minimiser l'énergie électrique.
"Nous avons constaté que les gens étaient induits en erreur par le signal mécanique dans les mesures électromécaniques standard, entraînant une mauvaise interprétation de la ferroélectricité, " a déclaré Yongtao Liu de l'ORNL, dont la contribution à l'étude est devenue l'objet de son doctorat. thèse à l'Université du Tennessee, Knoxville (UTK).
Olga Ovchinnikova, qui a dirigé les expériences au Centre des sciences des matériaux en nanophase (CNMS) de l'ORNL, ajoutée, "Nous avons utilisé l'imagerie chimique multimodale - la microscopie à sonde à balayage combinée à la spectrométrie de masse et à la spectroscopie optique - pour montrer que ce matériau est ferroélastique et comment la ferroélasticité entraîne la ségrégation chimique."
Les résultats, signalé dans Matériaux naturels , a révélé que les souches différentielles provoquent la migration et la ségrégation des molécules ionisées dans les régions du film, résultant en une chimie locale qui peut affecter le transport de la charge électrique.
La compréhension que cette suite unique d'outils d'imagerie permet aux chercheurs de mieux corréler la structure et la fonction et d'affiner les films de récupération d'énergie pour de meilleures performances.
« Nous voulons fabriquer de manière prédictive des grains de tailles et de géométries particulières, " dit Liu. " La géométrie va contrôler la tension, et la souche va contrôler la chimie locale."
Pour leur expérience, les chercheurs ont fabriqué un film mince en coulant par centrifugation une pérovskite sur un substrat de verre recouvert d'oxyde d'indium et d'étain. Ce processus a créé le conducteur, surface transparente dont un appareil photovoltaïque aurait besoin, mais également une contrainte générée. Pour soulager la tension, de minuscules domaines ferroélastiques se sont formés. Un type de domaine était « grains, " qui ressemblent à ce que vous pourriez voir survoler des terres agricoles avec des parcelles de différentes cultures asymétriques les unes par rapport aux autres. Dans les céréales, sous-domaines formés, semblable à des rangées de deux types de plantes alternant dans une parcelle de terre agricole. Ces rangées adjacentes mais opposées sont des "domaines jumeaux" de produits chimiques séparés.
La technique que les scientifiques utilisaient auparavant pour prétendre que le matériau était ferroélectrique était la microscopie à force piézo-réponse ("piezo" signifie "pression), dans lequel la pointe d'un microscope à force atomique (AFM) mesure un déplacement mécanique dû à son couplage avec la polarisation électrique, à savoir, déplacement électromécanique. "Mais vous ne mesurez pas réellement le véritable déplacement du matériau, " Ovchinnikova a averti. " Vous mesurez la déviation de tout ce " plongeoir " du cantilever. " Par conséquent, les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique de mesure pour séparer la dynamique en porte-à-faux du déplacement du matériau dû à la réponse piézo-électrique - l'option Capteur de déplacement interférométrique (IDS) pour l'AFM Cypher, développé par le co-auteur Roger Proksch, PDG d'Oxford Instruments Asylum Research. Ils ont découvert que la réponse dans ce matériau provient uniquement de la dynamique en porte-à-faux et n'est pas une véritable réponse piézoélectrique, prouver que le matériau n'est pas ferroélectrique.
"Notre travail montre que l'effet supposé dû à la polarisation ferroélectrique peut être expliqué par la ségrégation chimique, " dit Liu.
Les diverses mesures de microscopie et de spectroscopie de l'étude ont fourni des données expérimentales pour valider les simulations au niveau atomique. Les simulations apportent des informations prédictives qui pourraient être utilisées pour concevoir de futurs matériaux.
« Nous sommes capables de le faire grâce à l'environnement unique de CNMS où nous avons une caractérisation, théorie et synthèse sous un même toit, " a déclaré Ovchinnikova. "Nous n'avons pas seulement utilisé la spectrométrie de masse parce que [elle] vous donne des informations sur la chimie locale. Nous avons également utilisé la spectroscopie optique et des simulations pour regarder l'orientation des molécules, ce qui est important pour comprendre ces matériaux. Une telle capacité d'imagerie chimique cohésive à l'ORNL tire parti de notre imagerie fonctionnelle."
Les collaborations avec l'industrie permettent à l'ORNL de disposer d'outils uniques pour les scientifiques, y compris ceux qui ont réglé le débat sur la véritable nature du matériau de récolte de lumière. Par exemple, un instrument qui utilise la microscopie à ions hélium (HIM) pour éliminer et ioniser les molécules a été couplé à une spectroscopie de masse à ions secondaires (SIMS) pour identifier les molécules en fonction de leur poids. L'instrument HIM-SIMS ZEISS ORION NanoFab a été mis à la disposition de l'ORNL par le développeur ZEISS pour des tests bêta et est l'un des deux seuls instruments de ce type au monde. De la même manière, l'instrument IDS d'Asylum Research, qui est un vibromètre laser Doppler, a également été mis à la disposition de l'ORNL pour des tests bêta et est le seul existant.
« Les chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge sont naturellement un bon candidat pour travailler avec l'industrie car ils possèdent une expertise unique et sont capables d'utiliser d'abord les outils comme ils sont censés le faire, " a déclaré Proksch d'Asylum. " L'ORNL dispose d'une installation [CNMS] qui met des instruments et une expertise à la disposition de nombreux utilisateurs scientifiques qui peuvent tester des outils sur différents problèmes et fournir un retour d'information solide pendant les tests bêta alors que les fournisseurs développent et améliorent les outils, dans ce cas notre nouvel AFM métrologique IDS."
