Проводимость кристаллических структур раскрыта при увеличении в 10 миллионов раз

Профессор Университета Миннесоты К. Андре Мхоян и его команда использовали аналитическую сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (STEM), которая сочетает визуализацию со спектроскопией, для наблюдения металлических свойств в кристалле перовскита станната бария (BaSnO3). STEM-изображение с атомным разрешением с кристаллической структурой BaSnO3 (слева) показывает неправильное расположение атомов, идентифицированных как ядро ​​металлического дефекта линии. Предоставлено: Группа Мхоян, Университет Миннесоты.

В новаторских исследованиях материалов группа под руководством профессора Миннесотского университета К. Андре Мхояна сделала открытие, сочетающее в себе лучшее из двух востребованных качеств сенсорных экранов и умных окон – прозрачности и проводимости.

Исследователи впервые наблюдают металлические линии в кристалле перовскита. Перовскиты изобилуют в центре Земли, и станнат бария (BaSnO3) является одним из таких кристаллов. Однако его металлические свойства не изучались широко из-за преобладания на планете более проводящих материалов, таких как металлы или полупроводники. Открытие было сделано с помощью передовой просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), метода, который позволяет формировать изображения с увеличением до 10 миллионов.

Исследование опубликовано в Достижения науки.

«Электропроводная природа и предпочтительное направление этих металлических линейных дефектов означает, что мы можем сделать материал, который будет прозрачным, как стекло, и в то же время очень хорошо проводящим по направлению, как металл», – сказали Мхоян, эксперт по ТЕМ и Рэй Д. и Мэри T. Johnson / Mayon, заведующий кафедрой пластмасс факультета химической инженерии и материаловедения Колледжа науки и инженерии Миннесотского университета. «Это дает нам лучшее из двух миров. Мы можем сделать окна или новые типы сенсорных экранов прозрачными и в то же время проводящими. Это очень интересно».

Дефекты или дефекты являются обычным явлением в кристаллах, а линейные дефекты (наиболее распространенным среди них является дислокация) представляют собой ряд атомов, которые отклоняются от нормального порядка. Поскольку дислокации имеют тот же состав элементов, что и основной кристалл, изменения в электронная зонная структура в ядре дислокации из-за снижения симметрии и деформации часто лишь незначительно отличаются от таковых в ядре. Исследователям нужно было посмотреть за пределы дислокаций, чтобы найти дефект металлической линии, где дефектный состав и результирующий атомная структура сильно отличаются.

Проводимость кристаллических структур раскрыта при увеличении в 10 миллионов раз

Используя передовую аналитическую просвечивающую электронную микроскопию (STEM) с увеличением в 10 миллионов раз, исследователи из Университета Миннесоты смогли выделить и изобразить структуру и состав металлического дефекта в виде линии в кристалле перовскита BaSnO3. На этом изображении показано расположение атомов как кристалла BaSnO3 (слева), так и металлического дефекта линии. Предоставлено: Группа Мхоян, Университет Миннесоты.

«Мы легко заметили эти линейные дефекты на изображениях BaSnO, полученных с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии.3 тонкие пленки из-за их уникальной атомной конфигурации, и мы видели их только на виде сверху », – сказал Хванхуэй Юн, аспирант факультета химической инженерии и материаловедения и ведущий автор исследования.

Для данного исследования BaSnO3 пленки были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) – методики изготовления высококачественных кристаллов – в лаборатории Университета Миннесотских городов-побратимов. Металлические линейные дефекты, наблюдаемые в этих BaSnO3 пленки распространяются в направлении роста пленки, что означает, что исследователи потенциально могут контролировать, как и где появляются линейные дефекты, и потенциально создавать их по мере необходимости в сенсорных экранах, интеллектуальных окнах и других технологиях будущего, требующих сочетания прозрачности и проводимости.

«Мы должны были проявить изобретательность, чтобы вырастить высококачественный BaSnO.3 тонкие пленки с использованием МБЭ. Было интересно, когда эти новые линейные дефекты были обнаружены в микроскопе “, – сказал Бхарат Джалан, доцент и заведующий кафедрой Shell в Департаменте химического машиностроения и материаловедения, который возглавляет лабораторию по выращиванию различных пленок оксида перовскита с помощью MBE.

Кристаллы перовскита (ABX3) содержат три элемента в элементарной ячейке. Это дает ему свободу для структурных изменений, таких как состав и симметрия кристалла, а также возможность удерживать различные дефекты. Из-за различных углов координации и связи атомов в ядре дефекта линии вводятся новые электронные состояния, а структура электронной зоны локально модифицируется настолько радикально, что превращает дефект линии в металл.

«Было поразительно, как теория и эксперимент здесь согласовывались друг с другом», – сказал Туран Бирол, доцент кафедры химического машиностроения и материаловедения и эксперт по теории функционала плотности (DFT). «Мы могли проверить экспериментальные наблюдения атомной структуры и электронных свойств этого дефекта линии с помощью первых принципов DFT расчетов».

Чтобы прочитать полный текст исследования, озаглавленного «Металлическая линия. дефект в широкозонном прозрачном перовските BaSnO3 », посетите Достижения науки Веб-сайт.


Ученые измеряют локальные колебательные моды в отдельных кристаллических разломах.


Больше информации:
Хванхуэй Юн и др., Дефект металлической линии в широкозонном прозрачном перовските BaSnO3, Достижения науки (2021 год). DOI: 10.1126 / sciadv.abd4449

Цитата: Проводящая природа кристаллических структур, обнаруженная при увеличении в 10 миллионов раз (2021 год, 15 января), полученная 16 января 2021 года из https://phys.org/news/2021-01-nature-crystal-revealed-magnification-million.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, воспроизведение какой-либо части без письменного разрешения запрещено. Контент предоставляется только в информационных целях.

READ  Умная маска, которая дезинфицирует, измеряет качество воздуха и предупреждает вас о ближайших лампочках

Leave a Comment