Les pérovskites - tout matériau ayant la même structure que l'oxyde de calcium-titane (CaTiO3) - continuent d'attirer les scientifiques des matériaux avec leur ferroélectricité, ferromagnétisme, activité catalytique, et la conductivité des ions oxygène. Dans les années récentes, les scientifiques ont réalisé qu'ils pouvaient considérablement améliorer les propriétés des pérovskites en les assemblant en films minces. Le problème était que personne ne comprenait pourquoi les films minces l'emportaient sur les matériaux en vrac.

Les chercheurs ont acquis de nouvelles connaissances sur la supériorité des couches minces en sondant la structure des pérovskites à la division scientifique des rayons X 33-ID-D, Ligne de faisceaux de rayons X E à la source avancée de photons (APS) du département de l'Énergie des États-Unis, Laboratoire National d'Argonne. Ils ont utilisé une approche révolutionnaire pour séparer la structure du film mince et la chimie couche par couche.

Au fur et à mesure que les chercheurs décollaient les couches, ils ont trouvé que, au lieu d'avoir une répartition uniforme des éléments, il y avait des différences drastiques de composition entre les couches de film mince. Cette observation peut aider les chercheurs à concevoir des pérovskites à couche mince avec une activité et une stabilité améliorées.

Applications industrielles des pérovskites, qui réduisent efficacement l'oxygène, inclure la conversion de l'énergie des combustibles fossiles en électricité, purification de l'oxygène, et électrocatalyse. L'équipe de recherche, du Massachusetts Institute of Technology, Université hébraïque (Israël), Laboratoire National d'Argonne, et le Laboratoire national d'Oak Ridge ont étudié les films minces LSCO - des pérovskites à base de lanthane, strontium, cobalt, et l'oxygène (LSCO) - en tant que système modèle pour étudier pourquoi les films minces ont un pouvoir réducteur plus important que leurs homologues en vrac.

Les chercheurs ont étudié deux couches minces LSCO de 4 nm à l'APS, une installation utilisateur du DOE Office of Science ; un film mince recuit avait été préalablement chauffé à 550 °C pendant une heure pour simuler des paramètres industriels réels, tandis que l'autre film mince tel que déposé a été laissé à température ambiante.

Les chercheurs ont ensuite collecté des intensités de diffraction le long de 10 objets spatiaux réciproques différents, appelé "tiges de Bragg, " défini par le substrat. Ils ont utilisé Coherent Bragg Rod Analysis (COBRA) pour déterminer la structure atomique tridimensionnelle (3-D) de chaque couche mince, avec des pics plus élevés dans la carte indiquant un élément avec un plus grand nombre d'électrons, permettant aux chercheurs de différencier les éléments à différents sites dans les films minces LSCO.

Mais COBRA à lui seul ne donne pas d'informations sur la répartition des éléments qui occupent le même site atomique au sein des couches. Par conséquent, les chercheurs ont appliqué une deuxième méthode appelée "énergie différentielle COBRA, " à savoir, effectuer des mesures COBRA le long des tiges de Bragg en faisant varier les énergies des rayons X incidents autour du bord K du strontium à chaque point de l'espace réciproque. Cette approche a fourni la fraction d'occupation absolue du strontium couche par couche.

Le résultat final de la combinaison du COBRA conventionnel avec le COBRA différentiel d'énergie était des images atomiques 3D à haute résolution (sous l'angström) des films minces LSCO qui comprenaient des informations sur la distribution des éléments.

Les images atomiques 3D ont clairement montré que le strontium avait tendance à se regrouper dans les couches externes des films minces LSCO, tandis que le lanthane remplissait ces positions dans les couches les plus profondes du film. Le strontium est presque entièrement absent des couches minces les plus proches du substrat.

Les chercheurs soupçonnent que la ségrégation de surface du strontium observée dans les films minces LSCO peut expliquer pourquoi ils surpassent les matériaux en vrac. Le lanthane et le strontium ont des charges différentes, tel que si une couche a plus de strontium, il doit aussi avoir moins d'oxygène, ou plusieurs lacunes d'oxygène. Un manque d'oxygène dans une couche externe en couche mince, où le strontium était abondant, signifie que le matériau peut avoir plus d'opportunités de réagir avec l'oxygène à sa surface, expliquant les performances améliorées.

La structure et la chimie des films minces recuits et tels que déposés étaient similaires, suggérant que la chaleur elle-même ne modifie pas la structure ou l'activité du matériau. Dans des expériences futures, les chercheurs étudieront des films minces soumis à des conditions réelles plus difficiles. Ils visent également à utiliser les connaissances acquises à la source avancée de photons pour concevoir de meilleurs matériaux pérovskites à l'avenir.