使用新的沉积技术揭示钙钛矿氢化物

钙钛矿由于其卓越的特性和潜在的应用(包括可持续能源技术、催化和光电子学等)，目前成为材料科学的热门话题。

钙钛矿氢化物的分子结构中含有氢阴离子(H -)，因其氢衍生的特性而受到特别关注。许多专家认为，这些化合物可能是氢存储技术研究和开发的关键，例如燃料电池和下一代电池以及节能超导电缆。

尽管钙钛矿氢化物代表了应用材料科学的独特平台，但表征其物理性质已被证明具有挑战性。特别是，测量这些晶体材料的 H -电导率并不简单。在大多数研究中，研究人员在表征分析中使用粉末样品，这意味着 H-传导受到晶体中不规则性(“晶界”)的影响。

为了获得给定钙钛矿固有H-电导率的真实值，需要生产一种均匀、连续、缺陷尽可能少的单晶。对于复杂的三元钙钛矿氢化物来说，实现这一点很困难，很少有研究小组进行过尝试。

在 2024 年 4 月 8 日发表在ACS Applied Energy Materials上的一项最新研究中，包括日本芝浦工业大学 (SIT) 工程与科学研究生院区域环境系统系博士生 Erika Fukushi 在内的研究团队，决定迎接挑战。

该团队采用创新方法生产高质量单晶，对三元钙钛矿氢化物进行了一些首次本征传导测量。这项工作由 SIT 的 Fumiya Mori、Kota Munefusa 和 Hiroyuki Oguchi 以及日本国立材料科学研究所的 Takayuki Harada 共同撰写。

为了生产钙钛矿单晶，研究人员开发并首创了一种名为“氢自由基反应红外激光沉积”的强大方法。这种方法涉及将红外激光照射到含有所需钙钛矿金属原子的旋转盘形颗粒上。

在他们的研究中，研究人员希望生产 MLiH 3(其中 M 是 Sr 或 Ba)，因此颗粒是由 MH 2和 LiH 粉末的粗压缩混合物制成的。当该颗粒被激光加热时，金属被释放到周围富含氢自由基的气氛中，这是通过加热的钨丝将氢气注入反应室而获得的。

颗粒附近是精心挑选的基底，氢和金属在基底上自发结合形成所需的钙钛矿。当原子开始堆积到基板上时，它们会自发地排列并以与其下方的晶体层一致的方式排列。这导致纳米薄膜在基底上外延生长。

“我们的方法的独特之处在于它能够在自由基氢气氛中进行沉积，显着促进金属和氢之间的反应，”福士解释道。 “这导致通过完全氢化自然存在于薄膜中的金属原子来合成单相氢化物薄膜。”

研究人员在各种条件下进行了多次激光沉积，并彻底表征了所得薄膜的特征。他们使用许多先进技术，包括 X 射线衍射、原子力显微镜和扫描电子显微镜，确定了每张薄膜的元素分布和结晶度。通过这种方式，他们确定了实验装置中生长有序的单晶 MLiH 3的最佳条件。

在确认薄膜中不存在晶界后，研究小组最终可以进行 H-电导率测量。值得注意的是，这是对这些晶体固有H-电导率的首次测量，这是在许多氢相关应用中选择材料的关键信息。

“可以利用氢阴离子传导来开发新型二次电池和燃料电池，”福士评论道。 “此类技术可以鼓励电动汽车和可再生能源的普及，最终有助于建设节能型可持续社会。”