Ledende natur i krystalstrukturer afsløret ved forstørrelse på 10 millioner gange

I banebrydende materialeforskning, et team ledet af University of Minnesota professor K. Andre Mkhoyan har gjort en opdagelse, der blander det bedste af to eftertragtede kvaliteter til touchskærme og smarte vinduer – gennemsigtighed og ledningsevne.

Forskerne er de første til at observere metalliske linjer i en perovskitkrystal. Perovskitter er der masser af i jordens centrum, og bariumstannat (BaSnO3) er en sådan krystal. Imidlertid, det er ikke blevet undersøgt grundigt for metalliske egenskaber på grund af udbredelsen af ​​mere ledende materialer på planeten som metaller eller halvledere. Fundet blev gjort ved hjælp af avanceret transmissionselektronmikroskopi (TEM), en teknik, der kan danne billeder med forstørrelser på op til 10 mio.

Forskningen er publiceret i Videnskabens fremskridt .

"Den ledende karakter og den foretrukne retning af disse metalliske linjefejl betyder, at vi kan lave et materiale, der er gennemsigtigt som glas og samtidig meget pænt retningsledende som et metal, " sagde Mkhoyan, en TEM-ekspert og Ray D. og Mary T. Johnson/Mayon Plastics-stolen i afdelingen for kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesotas College of Science and Engineering. "Dette giver os det bedste fra to verdener. Vi kan gøre vinduer eller nye typer touchskærme gennemsigtige og samtidig ledende. Det er meget spændende."

defekter, eller ufuldkommenheder, er almindelige i krystaller - og linjedefekter (den mest almindelige blandt dem er dislokationen) er en række af atomer, der afviger fra den normale rækkefølge. Fordi dislokationer har samme sammensætning af elementer som værtskrystallen, ændringerne i elektronisk båndstruktur ved dislokationskernen, på grund af symmetri-reduktion og belastning, er ofte kun lidt anderledes end værtens. Forskerne var nødt til at se uden for dislokationerne for at finde den metalliske linjefejl, hvor defektsammensætning og resulterende atomstruktur er vidt forskellige.

"Vi opdagede let disse linjedefekter i højopløsnings scanningstransmissionselektronmikroskopibillederne af disse BaSnO ₃ tynde film på grund af deres unikke atomare konfiguration, og vi så dem kun i planbilledet, " sagde Hwanhui Yun, en kandidatstuderende ved Institut for Kemiteknik og Materialevidenskab og en hovedforfatter på undersøgelsen.

Til denne undersøgelse, BaSnO ₃ film blev dyrket ved molekylær stråleepitaksi (MBE) - en teknik til at fremstille krystaller af høj kvalitet - i et laboratorium ved University of Minnesota Twin Cities. Metalliske linjefejl observeret i disse BaSnO ₃ film forplanter sig langs filmens vækstretning, hvilket betyder, at forskere potentielt kan kontrollere, hvordan eller hvor linjefejl opstår - og potentielt konstruere dem efter behov i berøringsskærme, smarte vinduer, og andre fremtidige teknologier, der kræver en kombination af gennemsigtighed og ledningsevne.

"Vi skulle være kreative for at dyrke BaSnO af høj kvalitet ₃ tynde film ved hjælp af MBE. Det var spændende, da disse nye linjefejl kom frem i mikroskopet, " sagde Bharat Jalan, lektor og Shell Chair i Institut for Kemiteknik og Materialevidenskab, som leder laboratoriet, der dyrker en række perovskitoxidfilm fra MBE.

Perovskitkrystaller (ABX ₃ ) indeholder tre elementer i enhedscellen. Dette giver den frihed til strukturelle ændringer såsom komposition og krystalsymmetri, og evnen til at være vært for en række defekter. På grund af forskellige koordinations- og bindingsvinkler af atomerne i den linjedefekte kerne, nye elektroniske tilstande introduceres, og den elektroniske båndstruktur modificeres lokalt på en så dramatisk måde, at den forvandler linjefejlen til metal.

"Det var fascinerende, hvordan teori og eksperiment stemte overens med hinanden her, " sagde Turan Birol, adjunkt ved Institut for Kemiteknik og Materialevidenskab og ekspert i tæthedsfunktionsteori (DFT). "Vi kunne verificere de eksperimentelle observationer af den atomare struktur og elektroniske egenskaber af denne linjedefekt med de første principper for DFT-beregninger."

For at læse hele forskningspapiret med titlen "Metallig linjedefekt i wide-bandgap transparent perovskite BaSnO3, "besøg Videnskabens fremskridt internet side.