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 металлы 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 время 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 время 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.
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