En profitant de la tendance naturelle des atomes de chrome à éviter certains environnements de liaison, les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du DOE ont généré un matériau qui permet à l'oxygène de le traverser très efficacement, et à des températures relativement basses. Spécifiquement, ils ont découvert que leurs tentatives pour fabriquer du SrCrO métallique 3 conduire à la place à la formation de SrCrO semi-conducteur 2.8 . Parce que le chrome en tant qu'ion avec une charge de +4 n'aime pas former de liaisons à 90º avec l'oxygène, comme il se doit dans SrCrO 3 , SrCrO 2.8 forme à la place avec une structure cristalline complètement différente. Ce matériau contient des plans pauvres en oxygène à travers lesquels l'oxygène peut diffuser très facilement.

« Si des lacunes en oxygène sont présentes à des concentrations suffisamment élevées, ils peuvent s'agréger et former de nouvelles structures ordonnées, " a déclaré l'expert en matériaux, le Dr Scott Chambers, le boursier du laboratoire du PNNL qui a dirigé la recherche. "Ces structures ordonnées peuvent avoir des propriétés non observées dans le roman créateur d'hôte, cristaux de mésoéchelle."

En tant que nation, nous cherchons toujours à créer de nouveaux appareils améliorés. Encore, les limites de ce qui peut être réalisé avec des matériaux conventionnels, tels que l'électronique à base de silicium, sont clairement à l'horizon. Ce travail représente une avancée scientifique importante concernant l'augmentation de l'efficacité des piles à combustible à oxyde solide, qui nécessitent des oxydes capables d'absorber et de transmettre des anions oxygène à basse température.

« En tant qu'avantage supplémentaire, des réseaux ordonnés de lacunes d'oxygène pourraient permettre la séparation spatiale des degrés de liberté électroniques et vibrationnels, " dit Chambers. " Cette propriété serait utile dans, par exemple, augmenter les performances de la thermoélectrique."

En combinant des méthodes expérimentales et théoriques, les scientifiques du PNNL ont fabriqué des films cristallins ultra-purs et ont sondé leurs propriétés. Ils ont utilisé l'épitaxie par faisceau moléculaire pour préparer les films. Pour caractériser les films, ils ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage, spectroscopie de perte d'énergie électronique, Diffraction des rayons X, Photoémission rayons X et ultraviolets, absorption optique, et les transports électriques. Ils ont utilisé la modélisation des premiers principes pour déterminer les transformations structurelles et la cinétique de diffusion des anions oxygène.

Ils ont déterminé que l'accumulation de lacunes d'oxygène dans la pérovskite cubique SrCrO 3 (P-SCO) entraîne la formation d'un ordre, nanostructuré, phase rhomboédrique, SrCrO 2.8 (R-SCO). La version rhomboédrique a des propriétés électroniques et optiques assez différentes de celles du P-SCO.

L'équipe a démontré que le R-SCO peut être oxydé de manière réversible en P-SCO dans des conditions douces (500 ^o C) et des conditions expérimentales facilement contrôlables, et que la structure R-SCO donne lieu à une conductivité des ions oxygène beaucoup plus facile que ne le fait P-SCO. Cette propriété est extrêmement importante pour la technologie des piles à combustible à oxyde solide, où la cinétique de la réaction de réduction de l'oxygène et la conductivité des ions oxyde dans la cathode nécessitent actuellement des températures élevées, environ 800 ^o C, ce qui constitue un obstacle important à l'amélioration de l'efficacité énergétique globale des piles à combustible.

"Cette recherche peut aider à la recherche d'autres structures similaires avec des caractéristiques adaptées, " a déclaré le Dr Peter Sushko, un scientifique qui a fait la modélisation théorique et dirige le groupe de science des matériaux au PNNL.

À court terme, l'équipe prévoit d'appliquer la compréhension acquise au dépôt, caractérisation, et la compréhension de la chromite de lanthane dopée au strontium par épitaxie. Ce matériau est d'une importance potentielle dans la récolte de la lumière visible et, sur la base de mesures préliminaires au PNNL, peut être un oxyde conducteur transparent de type p. À long terme, l'équipe prévoit d'exploiter le phénomène observé pour réaliser la nanofabrication de nouvelles structures catalytiques hétérogènes en déposant des quantités de sous-monocouches de métaux catalytiquement importants sur la surface de R-SCO, et en utilisant l'intersection des plans de défaut avec la surface libre pour ordonner les atomes de métal entrants en nanofils.