En 3D-billeddannelsesteknik låser egenskaber ved perovskitkrystaller op

Et team af materialeforskere fra Penn State, Cornell og Argonne National Laboratory har, for første gang, visualiserede 3D-atom- og elektrontæthedsstrukturen i det mest komplekse perovskit-krystalstruktursystem, der er afkodet til dato.

Perovskitter er mineraler, der er interessante som elektriske isolatorer, halvledere, metaller eller superledere, afhængigt af arrangementet af deres atomer og elektroner.

Perovskitkrystaller har en usædvanlig gruppe af iltatomer, der danner en oktaeder-en otte-sidet polygon. Dette arrangement af iltatomer fungerer som et bur, der kan rumme et stort antal af elementatomerne i det periodiske system. Derudover andre atomer kan fastgøres til hjørnerne af en terning uden for buret på præcise steder for at ændre materialets egenskaber, for eksempel ved at ændre et metal til en isolator, eller en ikke-magnet til en ferromagnet.

I deres nuværende arbejde, holdet voksede den allerførste opdagede perovskitkrystal, kaldet calciumtitanat, oven på en række andre perovskitkrystalsubstrater med lignende, men lidt forskellige iltbur på deres overflader. Fordi den tynde film perovskit på toppen ønsker at tilpasse sig strukturen på det tykkere underlag, det forvrider sine bure i en proces kendt som tilt epitaxy. Forskerne fandt denne tilt -epitakse af calciumtitanat forårsaget af et meget almindeligt materiale til at blive ferroelektrisk - en spontan polarisering - og forblive ferroelektrisk op til 900 Kelvin, omkring tre gange varmere end stuetemperatur. De var også i stand til at visualisere den tredimensionelle elektrontæthedsfordeling i calciumtitanat tynd film for første gang.

"Vi har været i stand til at se atomer i et godt stykke tid, men ikke kortlægge dem og deres elektronfordeling i rummet i en krystal i tre dimensioner, "sagde Venkat Gopalan, professor i materialevidenskab og fysik, Penn State. "Hvis vi ikke bare kan se, hvor atomkerner er placeret i rummet, men også hvordan deres elektronskyer deles, det vil sige os stort set alt, hvad vi har brug for at vide om materialet for at udlede dets egenskaber. "

Det var den udfordring, teamet stillede sig for over fem år siden, da Gopalan gav projektet til sin elev og hovedforfatter af en ny rapport i Naturkommunikation , Yakun Yuan, . Baseret på en sjældent brugt røntgenvisualiseringsteknik kaldet COBRA, (kohærent Bragg -stanganalyse) oprindeligt udviklet af en gruppe i Israel, Yuan fandt ud af, hvordan man udvider og ændrer teknikken for at analysere en af ​​de mest komplicerede, mindst symmetriske materialesystemer, der er undersøgt til dato. Dette system er en anstrengt tredimensionel perovskitkrystal med oktaedriske hældninger i alle retninger, vokset på en anden lige så kompleks krystalstruktur.

"For at afsløre 3D-strukturelle detaljer på atomniveau, vi var nødt til at indsamle omfattende datasæt ved hjælp af den mest geniale synkrotron-røntgenkilde, der findes på Argonne National Labs og omhyggeligt analysere dem med COBRA-analysekoden modificeret til at imødekomme kompleksiteten af ​​så lav symmetri, "sagde Yuan.

Gopalan fortsatte med at forklare, at meget få perovskit -iltbure er perfekt tilpasset i hele materialet. Nogle roterer mod uret i et lag atomer og med uret i det næste. Nogle bure klemmes ud af form eller vipper i retninger, der er i eller ude af plan til substratoverfladen. Fra grænsefladen mellem en film og substratet vokser den på, helt til overfladen, hvert atomlag kan have unikke ændringer i deres struktur og mønster. Alle disse forvrængninger gør en forskel i materialegenskaberne, som de kan forudsige ved hjælp af en beregningsteknik kaldet densitetsfunktionel teori (DFT).

"Forudsigelserne fra DFT -beregningerne giver indsigt, der supplerer de eksperimentelle data og hjælper med at forklare den måde, hvorpå materialegenskaber ændres med justeringen eller vippingen af ​​perovskit -iltburene, "sagde Susan Sinnott, leder og professor i materialevidenskab og teknik, hvis gruppe udførte de teoretiske beregninger.

Teamet validerede også deres avancerede COBRA -teknik mod flere billeder af deres materiale ved hjælp af det kraftige Titan -transmissionselektronmikroskop i Materials Research Institute i Penn State. Da elektronmikroskoper afbilder ekstremt tynde elektrontransparente prøver i en 2-D projektion, ikke alle 3D-billeder kunne fanges, selv med det bedste mikroskop, der findes i dag og med flere prøveorienteringer. Dette er et område, hvor 3D-billeddannelse ved hjælp af COBRA-teknikken overgik elektronmikroskopiet i sådanne komplekse strukturer.

Forskerne mener, at deres COBRA-teknik er anvendelig til undersøgelse af mange andre 3-D, lavsymmetri atomkrystaller.