Проводимость кристаллических структур раскрыта при увеличении в 10 миллионов раз

Исследователи впервые наблюдают металлические линии в кристалле перовскита. Перовскиты изобилуют в центре Земли, и станнат бария (BaSnO3) является одним из таких кристаллов

0 555

В новаторских исследованиях материалов группа ученых Миннесотского университета 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 или полупроводники.

Открытие было сделано с помощью передовой просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), метода, который позволяет формировать изображения с увеличением до 10 миллионов.

«Электропроводная природа и предпочтительное направление этих металлических линейных дефектов означает, что мы можем сделать материал, который будет прозрачным, как стекло, и в то же очень хорошо проводящим по направлению, как металл», — говорят исследователи.

«Это дает нам лучшее из двух миров. Мы можем сделать окна или новые типы сенсорных экранов прозрачными и в то же проводящими. Это очень увлекательно».

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 электронной зонной структуре в ядре дислокации из-за снижения симметрии и деформации часто лишь незначительно отличаются от основной. Исследователям нужно было посмотреть за пределы дислокаций, чтобы найти дефект металлической линии, где состав дефекта и результирующая атомная структура сильно различаются.

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

Для этого исследования пленки BaSnO3 были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) — методики изготовления высококачественных кристаллов. Металлические линейные дефекты, наблюдаемые в этих пленках BaSnO3, распространяются вдоль направления роста пленки, что означает, что исследователи потенциально могут контролировать, как и где появляются линейные дефекты, и потенциально проектировать их по мере необходимости в сенсорных экранах, интеллектуальных окнах и других технологиях будущего, требующих сочетания прозрачности и проводимость.

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, и 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».

Исследование опубликовано в Science Advances.


Hwanhui Yun et al, Metallic line defect in wide-bandgap transparent perovskite BaSnO3, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abd4449

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x