University of Minnesota Professor K. Andre Mkhoyan och hans team använde analytisk skanningöverföringselektronmikroskopi (STEM), som kombinerar bildbehandling med spektroskopi, att observera metalliska egenskaper i perovskitkristallbariumstannatet (BaSnO3). Den atomupplösta STEM-bilden, med en BaSnO3 -kristallstruktur (till vänster), visar ett oregelbundet arrangemang av atomer som identifieras som den metalliska ledningsdefektkärnan. Upphovsman:Mkhoyan Group, University of Minnesota
Inom banbrytande materialforskning, ett team som leds av University of Minnesota Professor K. Andre Mkhoyan har gjort en upptäckt som blandar det bästa av två eftertraktade egenskaper för pekskärmar och smarta fönster-transparens och konduktivitet.
Forskarna är de första som observerar metalliska linjer i en perovskitkristall. Perovskiter finns i överflöd i jordens centrum, och bariumstannat (BaSnO3) är en sådan kristall. Dock, det har inte studerats utförligt för metalliska egenskaper på grund av förekomsten av mer ledande material på planeten som metaller eller halvledare. Fyndet gjordes med hjälp av avancerad transmissionselektronmikroskopi (TEM), en teknik som kan bilda bilder med förstoringar på upp till 10 miljoner.
Forskningen publiceras i Vetenskapliga framsteg .
"Den ledande karaktären och förmånsriktningen för dessa metalliska linjefel innebär att vi kan göra ett material som är transparent som glas och samtidigt mycket snyggt riktningsledande som en metall, "sa Mkhoyan, en TEM -expert och Ray D. och Mary T. Johnson/Mayon Plastics Chair vid Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota's College of Science and Engineering. "Detta ger oss det bästa av två världar. Vi kan göra fönster eller nya typer av pekskärmar transparenta och samtidigt ledande. Detta är väldigt spännande."
Defekter, eller brister, är vanliga i kristaller - och linjefel (den vanligaste bland dem är dislokationen) är en rad atomer som avviker från den normala ordningen. Eftersom dislokationer har samma sammansättning av element som värdkristallen, förändringarna i elektronisk bandstruktur vid dislokationskärnan, på grund av symmetri-reduktion och belastning, är ofta bara något annorlunda än värdens. Forskarna behövde titta utanför dislokationerna för att hitta metalllinjefelet, där defektkomposition och resulterande atomstruktur är mycket olika.
Med hjälp av avancerad analytisk skanningsöverföringselektronmikroskopi (STEM) i en förstoring av 10 miljoner gånger, Forskare vid University of Minnesota kunde isolera och avbilda strukturen och sammansättningen av metalllinjefelet i en perovskitkristall BaSnO3. Den här bilden visar atomarrangemanget av både BaSnO3 -kristallen (till vänster) och metalllinjefelet. Upphovsman:Mkhoyan Group, University of Minnesota
"Vi upptäckte enkelt dessa linjefel i högupplösta skanningsöverföringselektronmikroskopibilder av dessa BaSnO 3 tunna filmer på grund av deras unika atomkonfiguration och vi såg dem bara i planvy, "sa Hwanhui Yun, en doktorand vid Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap och en huvudförfattare till studien.
För denna studie, BaSnO 3 filmer odlades med molekylär stråle-epitaxy (MBE)-en teknik för att tillverka kristaller av hög kvalitet-i ett laboratorium vid University of Minnesota Twin Cities. Metalliska linjefel observerade i dessa BaSnO 3 filmer sprider sig längs filmväxtriktning, vilket innebär att forskare potentiellt kan styra hur eller var linjefel uppstår - och eventuellt konstruera dem efter behov i pekskärmar, smarta fönster, och annan framtida teknik som kräver en kombination av transparens och konduktivitet.
"Vi var tvungna att vara kreativa för att odla BaSnO av hög kvalitet 3 tunna filmer med MBE. Det var spännande när dessa nya linjefel kom fram i mikroskopet, "sa Bharat Jalan, docent och Shell -ordförande vid Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap, som leder labbet som odlar en mängd olika perovskitoxidfilmer av MBE.
Perovskitkristaller (ABX 3 ) innehåller tre element i enhetscellen. Detta ger den frihet för strukturella förändringar som komposition och kristallsymmetri, och förmågan att vara värd för en mängd olika defekter. På grund av olika koordinations- och bindningsvinklar för atomerna i linjedefektkärnan, nya elektroniska tillstånd introduceras och den elektroniska bandstrukturen modifieras lokalt på ett så dramatiskt sätt att det förvandlar linjefelet till metall.
"Det var fascinerande hur teori och experiment stämde överens med varandra här, "sa Turan Birol, biträdande professor vid Institutionen för kemiteknik och materialvetenskap och en expert på densitetsfunktionell teori (DFT). "Vi kunde verifiera de experimentella observationerna av atomstrukturen och de elektroniska egenskaperna hos denna linjefel med de första principerna DFT -beräkningar."
För att läsa hela forskningsrapporten med titeln "Metallic line defect in wide-bandgap transparent perovskite BaSnO3, " besök Vetenskapliga framsteg hemsida.
