美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)领导的一个研究小组通过独特的成像工具和原子水平模拟技术，解决了一个长期存在的争论，即一种有望从光中获取能量的材料的性质。
研究人员利用多模态成像技术“观察”有机-无机钙钛矿薄膜内纳米尺度的相互作用，钙钛矿是一种用于太阳能电池的材料。他们确定这种材料是铁弹性的，这意味着它可以形成极化应变域，以最小化弹性能量。这一发现与先前的假设相反，即这种材料是铁电性的，这意味着它可以形成极化电荷域，从而使电能最小化。
“我们发现人们被标准机电测量中的机械信号误导，导致了对铁电的误解，”ORNL的刘永涛说。
奥尔加·奥夫钦尼科娃(Olga Ovchinnikova)是ORNL纳米材料科学中心(CNMS)的实验负责人，她补充说:“我们使用多模态化学成像技术——扫描探针显微镜结合质谱和光学光谱技术——来证明这种材料是铁弹性的，以及铁弹性如何驱动化学分离。”
发表在《自然材料》(Nature Materials)上的研究结果显示，不同的菌株会导致电离分子在薄膜区域内迁移和分离，从而产生可能影响电荷传输的局部化学反应。
这种独特的成像工具使研究人员能够更好地关联结构和功能，并对能量采集薄膜进行微调，以提高性能。
“我们希望能够预测出特定大小和几何形状的颗粒，”刘说。“几何将控制应变，应变将控制局部化学。”
在他们的实验中，研究人员通过在涂有氧化铟锡的玻璃基板上旋转铸造钙钛矿来制造薄膜。这个过程产生了光伏设备需要的导电透明表面，但也产生了应变。为了减轻应变，形成了微小的铁弹性区域。一种类型的领域是“谷物”，它看起来就像你在农田上看到的一样，不同的农作物之间相互倾斜。在谷物中，子域形成，类似于在一片农田中交替出现的两种植物类型。这些相邻但相对的行是分离化学物质的“双域”。
科学家们先前用来宣称这种材料是铁电材料的技术是压电反应力显微镜(“piezo”意思是“压力”)，原子力显微镜(AFM)的尖端测量由于其与电极化耦合而产生的机械位移——即机电位移。Ovchinnikova警告说:“但实际上你并没有测量材料的真实位移。”“你在测量悬臂的整个‘跳水板’的挠度。”因此，研究人员使用了一种新的测量技术，将悬臂动力学与因压阻反应引起的材料位移分离开来——干涉式位移传感器(IDS)是密码AFM的选择，由牛津仪器研究所首席执行官罗杰·普罗克斯(Roger Proksch)共同开发。他们发现这种材料的反应仅仅来自悬臂动力学，并不是一个真正的压敏反应，证明这种材料不是铁电性的。
“我们的工作表明，铁电极化的效应可以用化学偏析来解释，”刘说。
这项研究的不同显微镜和光谱测量提供了实验数据来验证原子水平的模拟。这些模拟带来了可用于设计未来材料的预测性见解。
Ovchinnikova说:“我们之所以能够做到这一点，是因为CNMS拥有独特的环境，在这里我们可以在一个屋檐下进行表征、理论和合成。”“我们不只是利用质谱法，因为它能提供当地化学信息。我们也使用光谱学和模拟来观察分子的方向，这对理解这些材料很重要。ORNL的这种内聚性化学成像能力利用了我们的功能成像。
与产业界的合作使ORNL能够为科学家提供独特的工具，包括那些解决了关于采光材料本质的争论的工具。例如，使用氦离子显微镜(he)去除和电离分子的仪器与二级离子质谱(SIMS)结合，根据分子的重量来识别分子。hims - sims仪器ZEISS ORION NanoFab由开发商ZEISS提供给ORNL进行beta测试，是世界上仅有的两种这样的仪器之一。同样，来自庇护研究中心的IDS仪器，是一种激光多普勒振动计，也被ORNL用于beta测试，并且是现存的唯一仪器。
“橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员天生就很适合与工业界合作，因为他们拥有独特的专业技能，并且能够首次以他们想要的方式使用工具。”“ORNL拥有一个设备(CNMS)，可以为许多科学用户提供仪器和专业知识，他们可以测试不同问题上的工具，并在测试期间提供强大的反馈，因为供应商开发和改进了这些工具，在这种情况下，我们的新IDS计量AFM。”
——文章发布于2018年9月25日
