Ett schematiskt diagram över den utvecklade stamsyntesen av kompositoxidheterostrukturer. Under den epitaxiella tillväxten av värdmaterial (BiT) med en stor c gitterkonstant, ett annat material (BFO) med en mindre enhetscell inkorporeras på plats, vilket resulterar i ett BiTF-kompositsystem. Det finns fyra oktaedriska lager med Ti (blå) och Fe (röd) joner mellan två BiO2− lager. I bulk, det finns inget sätt att kontrollera den lokala fördelningen av Ti- och Fe-joner mellan fyra oktaedriska lager. Dock, töjning i tunn film kan fungera som nanorobotarmar genom att Fe-joner företrädesvis lokaliseras vid inre (yttre) oktaedriska skikt under dragpåkänning (kompressiv) för att minska systemets totala energi. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd7394
Teoretisk materialdesign och experimentell syntes har utvecklats under de senaste decennierna med en nyckelroll i utvecklingen av funktionella material, användbar för nästa generations teknik. I sista hand, dock, syntesvetenskapens mål återstår att uppnå för att lokalisera atomer i en specifik materiaposition. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Changhee Sohn och forskare inom materialvetenskap och nanostrukturfysik i USA och Republiken Korea utvecklade en unik metod för att injicera element i en specifik kristallografisk position i ett kompositmaterial via töjningsteknik. Teamet visade ett kraftfullt sätt att använda belastning för att artificiellt manipulera atompositionen för syntes av nya material och strukturer. Resultaten är applicerbara på ett brett utbud av system för att ge en ny väg till funktionella material.
Använda belastning för att utveckla nya material.
Epitaxiell töjning härrör från gallrets oöverensstämmelse mellan en film och ett substrat för att manipulera viktiga fysikaliska egenskaper hos material. De har också revolutionerat industrier för att utveckla snabba centrala datorprocessorer. Ferroelektricitet och dess potential för ultrahögdensitetsminne visar vikten av töjningsteknik i framtida teknologier. I en nyligen genomförd teoretisk förutsägelse, forskare föreslog en orapporterad roll av stam för att utveckla nya material genom att infoga och omplacera enskilda atomer på ett platsspecifikt sätt inom en enhetscell av material. Genom att använda denna stamdrivna metod, Sohn et al. kombinerade skiktade perovskitmaterial såsom Bi 4 Ti 3 O 12 (förkortas som BiT) och enkla perovskiter med den allmänna formeln ABO 3 . BiT är ett unikt ferroelektriskt material med tre oktaedriska syreunderskikt inklämda mellan två BiO 2 - skikten. I ett separat syntetiskt tillvägagångssätt, Sohn et al. bildade en sammansatt Bi 5 Ti 3 FeO 12 (BiTF) på subenhetsnivå genom stam och kontrollerade de insatta järn (Fe) jonerna på subenhetsnivå. Under experimenten, de använde pulsad laseravsättning med två mål Bi 4 Ti 3 O 12 (förkortat som BiT) och vismutferrit (BiFeO 3 ), förkortat BFO, att demonstrera tillväxtkontrollen av kompositmaterial genom att legera BFO med skiktad BiT. Under experimenten, de ablerade materialet på subenhetscellnivå på strontiumtitanat (SrTiO 3 ) substrat för att exakt kontrollera deras sammansättning. Använda scanning transmission elektronmikroskopi (STEM), teamet visualiserade den fullständiga infogningen av de ytterligare oktaedriska skikten mellan bifogad BiO 2 - skikten. De fick högvinkla ringformiga mörkfältsbilder (HAADF) av BiT- och BiTF-filmer odlade på strontiumtitanatsubstrat, där de ljusa och intensiva signalerna kom från tunga vismutjoner (Bi) och svagare signaler kom från de lättare titan- och järnjonerna. Med tvåmålsmetoden, Sohn et al. syntetiserade också epitaxiella BiTF-tunna filmer på olika substrat med olika riktningar och storlek på spänningen.
Strukturell karakterisering av BiTF-tunna filmer odlade på olika substrat. (A) Röntgendiffraktion θ-2θ skanningar av BiTF-kompositfilmer med olika fraktioner av BFO-block. θ-2θ-skanningarna visar den strukturella utvecklingen från BiT med tre oktaedriska skikt till BiTF med fyra oktaedriska skikt när BFO-block infogas. Asterisken indikerar 001-toppen från STO-substratet. arb. enheter, godtyckliga enheter. (B) HAADF-bilder av BiT (vänster) och BiTF (höger) kompositfilmer. Medan grå streckade linjer är tre oktaedriska lager som redan finns i BiT-filmen, den röda streckade linjen visar ytterligare ett oktaedriskt lager i BiTF-filmen. Det indikerar fullständig infogning av ett BFO-perovskitblock i BiT-strukturer. (C) Ömsesidiga rymdkartor över ansträngda BiTF-filmer odlade på fyra olika substrat. Svarta streckade linjer markerar substratet (103) qx. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd7394
Stamberoende Fe-distribution i BiTF-filmer. Atomiskt upplöst STEM-EDX-kartläggning av BiTF odlad på (A) LAO (−0,9%), (B) STO (1,3%), och (C) DSO (1,8%) substrat. Kolumnen längst till vänster visar schematiska diagram över lokal Fe-distribution i BiTF. Den mellersta kolumnen visar HAADF, element-selektiv EDX, och överlagrade EDX-bilder. Fe K-kantmappningen visar att Fe-joner företrädesvis är belägna i det yttre (inre) oktaedriska lagret i BiTF/LAO (DSO) och slumpmässigt fördelade i BiTF/STO. Kolumnen längst till höger är linjeprofiler för varje element längs de vita pilarna i EDX-kartor. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd7394
Bandgapsminskning och oväntad ferroelektrisk polarisering utanför planet i BiTF-filmer. (A till D) σ1(ω) av BiT (svart) och BiTF (röd) filmer på varje substrat. Den observerade minskningen av bandgapet genom att infoga BFO-block innebär att laddningsöverföringsenergin mellan Fe 3d och O 2p orbitaler är mindre än den mellan Ti 3d och O 2p orbitaler. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd7394 
För att förstå den töjningsberoende fördelningen av Fe-joner i materialen på atomär skala, Sohn et al. genomförde energidispersiv röntgenspektroskopi-kartering kombinerad med STEM (scanning transmission electron microscopy) på BiTF-filmer. Med hjälp av atomiskt upplöst energidispersiv röntgenkartläggning (EDX), teamet avslöjade den distinkta utvecklingen av materialet. Den utmärkta överensstämmelsen mellan stammens roll och den teoretiska förutsägelsen stödde dess roll i att kontrollera Fe-jonfördelningen i filmen. Forskarna var också angelägna om att förstå hur insättning och placering av Fe-joner i BiT påverkade filmens makroskopiska egenskaper. För att åstadkomma detta, de fokuserade på de optiska egenskaper som är viktiga för att förstå elektroniska strukturer på grundläggande nivå och för tekniska tillämpningar. Efter att ha satt in BFO-block observerade forskarna bandgap minskning. Sohn et al. observerade också förhållandet mellan ferroelektricitet hos BiTF-filmer och den katjoniska fördelningen av järnjoner. Därefter, med hjälp av Kelvin-sondkraftsmikroskopi (cKPFM), de undersökte filmernas piezoelektriska egenskaper för att notera starkt substratberoende på lateral och vertikal ferroelektricitet.
Töjningsberoende ferroelektriska polarisationer i planet och utanför planet i BiTF-filmer. (A till D) Lateral cKPFM mätt längs den ortorombiska [100] riktningen efter applicering av olika spänningspulser, som en funktion av lässpänningen. Tydliga hysteresbeteenden observeras i filmerna på LSAT- och STO-substrat, medan ferroelektricitet är otydlig och starkt undertryckt i filmerna på LAO och DSO. Detta resultat antyder att slumpmässigheten i Fe-jonpositionen spelar en roll för att stabilisera ferroelektriciteten. (E till H) Vertikala cKPFM-kurvor av BiTF-filmer på varje substrat. Endast filmen om STO visar tydliga ferroelektriska hysteresbeteenden utanför planet, som är förbjudna av symmetri i bulk. Vi tillskriver denna oväntade polarisering till extrinsisk asymmetri av katjonisk fördelning betecknad med inneboende slumpmässig preferens av måttlig dragpåkänning. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd7394
Syn
På det här sättet, Changhee Sohn och kollegor visade det unika stamdrivna syntetiska paradigmet som gjorde det möjligt för forskare att infoga atomer och självständigt styra dem till en specifik kristallografisk position av materia. Metoden skiljer sig från välkända syntesmetoder såsom konventionell heterostrukturteknik eller enkel legering av två olika material. Den stamdrivna artificiella kontrollen av atompositioner kan öka forskning inom materialvetenskap och kondenserad materiens fysik för att utveckla multifunktionella kompositsystem. Baserat på denna metod, Sohn et al. förvänta sig att syntetisera multiferroiska material och kontrollera deras magnetiska grundtillstånd genom katjonisk distribution.
© 2021 Science X Network
