Ett team av materialforskare från Penn State, Cornell och Argonne National Laboratory har, för första gången, visualiserade 3D-atom- och elektrontäthetsstrukturen i det mest komplexa perovskitkristallstruktursystemet som hittills avkodats.

Perovskiter är mineraler som är av intresse som elektriska isolatorer, halvledare, metaller eller supraledare, beroende på deras atomers och elektroners placering.

Perovskitkristaller har en ovanlig grupp av syreatomer som bildar en oktahedron-en åttasidig polygon. Detta arrangemang av syreatomer fungerar som en bur som kan hålla ett stort antal elementatomer i det periodiska systemet. Dessutom, andra atomer kan fixeras till hörnen på en kub utanför buren på exakta platser för att ändra materialets egenskaper, till exempel vid byte av en metall till en isolator, eller en icke-magnet i en ferromagnet.

I deras nuvarande arbete, laget växte den allra första upptäckta perovskitkristallen, kallas kalciumtitanat, ovanpå en serie andra perovskitkristallsubstrat med liknande men lite olika syreburar på sina ytor. Eftersom perovskiten med tunnfilm ovanpå vill anpassa sig till strukturen på det tjockare underlaget, den förvränger sina burar i en process som kallas tilt epitaxy. Forskarna fann att denna lutningsbild av kalciumtitanat orsakade att ett mycket vanligt material blev ferroelektriskt - en spontan polarisering - och förblev ferroelektrisk upp till 900 Kelvin, cirka tre gånger varmare än rumstemperatur. De kunde också visualisera den tredimensionella elektrondensitetsfördelningen i tunn kalciumtitanatfilm för första gången.

"Vi har kunnat se atomer ganska länge, men inte kartlägga dem och deras elektronfördelning i rymden i en kristall i tre dimensioner, "sade Venkat Gopalan, professor i materialvetenskap och fysik, Penn State. "Om vi ​​inte bara kan se var atomkärnor finns i rymden, men också hur deras elektronmoln delas, det kommer att berätta för oss i princip allt vi behöver veta om materialet för att utgå från dess egenskaper. "

Det var utmaningen som teamet ställde sig för över fem år sedan när Gopalan gav projektet till sin elev och huvudförfattare till en ny rapport i Naturkommunikation , Yakun Yuan, . Baserat på en sällan använd röntgenvisualiseringsteknik som kallas COBRA, (koherent Bragg -stavanalys) som ursprungligen utvecklades av en grupp i Israel, Yuan räknade ut hur man kan expandera och ändra tekniken för att analysera en av de mest komplicerade, minst symmetriska materialsystem som studerats hittills. Detta system är en ansträngd tredimensionell perovskitkristall med oktaedriska lutningar i alla riktningar, odlas på en annan lika komplex kristallstruktur.

"För att avslöja 3D-strukturella detaljer på atomnivå, vi var tvungna att samla omfattande datamängder med hjälp av den mest lysande synkrotronröntgenkällan som finns på Argonne National Labs och noggrant analysera dem med COBRA-analyskoden modifierad för att tillgodose komplexiteten hos så låg symmetri, "sa Yuan.

Gopalan fortsatte med att förklara att väldigt få perovskit -syreburar är perfekt anpassade genom materialet. Vissa roterar moturs i ett lager av atomer och medurs i nästa. Vissa burar kläms ur form eller lutar i riktningar som är i eller ur plan till substratytan. Från gränssnittet mellan en film och substratet odlas den på, ända till dess yta, varje atomskikt kan ha unika förändringar i deras struktur och mönster. Alla dessa snedvridningar gör skillnad i materialegenskaperna, som de kan förutsäga med en beräkningsteknik som kallas densitetsfunktionell teori (DFT).

"Prognoserna från DFT -beräkningarna ger insikter som kompletterar experimentdata och hjälper till att förklara hur materialegenskaper förändras med inriktningen eller lutningen av perovskit -syreburarna, "sa Susan Sinnott, chef och professor i materialvetenskap och teknik, vars grupp utförde de teoretiska beräkningarna.

Teamet validerade också sin avancerade COBRA -teknik mot flera bilder av deras material med hjälp av det kraftfulla Titan -transmissionselektronmikroskopet i Materials Research Institute i Penn State. Eftersom elektronmikroskop avbildar extremt tunna elektrontransparenta prover i en 2-D-projektion, inte alla 3D-bilder kunde fångas även med det bästa mikroskop som finns idag och med flera provorienteringar. Detta är ett område där 3D-avbildning med COBRA-tekniken överträffade elektronmikroskopin i sådana komplexa strukturer.

Forskarna tror att deras COBRA-teknik är tillämplig på studier av många andra 3-D, atomkristaller med låg symmetri.