Le eterostrutture ingegnerizzate o i materiali stratificati realizzati con materiali di ossido complessi sono una ricca fonte di fenomeni e applicazioni tecnici emergenti. Gli scienziati dei materiali mirano a sviluppare nuove funzionalità dei materiali interfacciando le perovskiti di ossido con substrati contenenti proprietà cristallografiche dissimili, in un viale molto inesplorato. In un nuovo rapporto, Camilo X. Quintela e un gruppo internazionale nella scienza dei materiali, fisica e ingegneria negli Stati Uniti, Norvegia, La Cina e la Corea del Sud hanno proposto una direzione senza precedenti per la progettazione dei materiali basata su cristalli di nitruro di antiperovskite e ossido di perovskite. In questo lavoro, hanno stratificato con successo due materiali cristallini noti come perovskiti e antiperovskiti insieme, creare un'interfaccia con proprietà elettriche uniche per applicazioni in una nuova classe di materiali quantistici.

Durante gli esperimenti, Quintela et al. sviluppato interfacce affilate tra il nitruro antiperovskite indicato Mn ₃ GaN e ossido perovskiti come (La _0,3 Sr _0,7 )(UN _l0.65 Ta _0,35 )O ₃ e titanato di stronzio (SrTiO ₃ ). Quindi utilizzando tecniche spettroscopiche e calcoli dei primi principi, hanno notato un'unione coerente del monostrato interfacciale tra le due antistrutture e sorprendentemente mediano l'eterointerfaccia antiperovskite/perovskite oltre le previsioni teoriche. I risultati aiuteranno a sviluppare nuove entusiasmanti proprietà nell'interfaccia per applicazioni a bassissima potenza nella spintronica, come i transistor, chip di memoria e dispositivi di archiviazione. L'opera è ora pubblicata in Progressi scientifici .

Cristalli di perovskite e antiperovskite

I cristalli di perovskite sono solitamente ossidi con ioni caricati positivamente e negativamente con promettenti ottiche, proprietà magnetiche ed elettriche. Nelle antiperovskiti il ​​posizionamento degli ioni caricati positivamente e negativamente viene capovolto per creare un'altra classe di materiali con proprietà diverse dalle perovskiti. I materiali antiperovskite sono materiali intermetallici con struttura cristallina di perovskite e, proprio come le loro controparti di perovskite di ossido, mostrano una varietà di proprietà fisiche regolabili tra cui la superconduttività, ferromagnetismo, magnetoresistenza e comportamento elettronico topologico. Tra questi materiali anti-perovskite, composti di nitruro a base di metalli di transizione, indicato M ₃ XN, dove M è uguale a metallo di transizione e X è uguale a elementi metallici o semiconduttori, sono particolarmente interessanti, con elevata sensibilità ai campi magnetici, temperatura o pressione. Tali sensibilità ai materiali derivano da forti caratteristiche di accoppiamento spin-reticolo di M ₃ composti XN, che può essere sintonizzato o manipolato attraverso l'ingegneria della deformazione. Inoltre, gli scienziati hanno utilizzato le proprietà fisiche di ABO ₃ perovskiti di ossido come trigger esterni per mettere a punto la funzionalità dei materiali antiperovskite. L'ABO ₃ i composti sono sistemi di materiali senza rivali per interfacciarsi con M ₃ XN nitruro antiperovskiti a causa delle loro strutture analoghe, promuovere la crescita epitassiale (l'assemblaggio di materiali dissimili in un unico film). Per esplorare l'epitassia a livello atomico, Quintela et al. ha studiato la struttura interfacciale e la chimica tra i materiali nitruri antiperovskite e ossido perovskite.

Sviluppo e caratterizzazione dell'interfaccia nitruro antiperovskite/ossido perovskite

In questo lavoro Quintela et al. fabbricato un Mn . di alta qualità ₃ film GaN su (La _0,3 Sr _0,7 )(UN _l0.65 Ta _0,35 )O ₃ (abbreviato LSAT) e substrati monocristallini di titanato di stronzio come paradigmi di M ₃ XN/ABO ₃ interfacce. Utilizzando la diffrazione dei raggi X (XRD), hanno caratterizzato strutturalmente il Mn . spesso 60 nm ₃ Film di GaN cresciuto sul substrato LSAT e monitorato la crescita epitassiale e la struttura monofase dei film utilizzando la diffrazione elettronica ad alta energia di riflessione (RHEED). I risultati hanno mostrato l'elevata qualità cristallina del film e l'interfaccia incontaminata.

Per comprendere la struttura e la composizione chimica del Mn ₃ interfaccia GaN/LSAT, Quintela et al. microscopia elettronica a trasmissione a scansione a risoluzione atomica combinata (STEM) con spettroscopia elettronica a perdita di energia (EELS) e spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS). La prima interfaccia Mn ₃ Il monostrato di GaN ha mostrato uno schema di macchie luminose e scure alternate per indicare una riconfigurazione compositiva o strutturale all'interfaccia. Utilizzando simulazioni e analisi chimiche strutturali, il team ha mostrato le transizioni dal substrato LSAT al Mn ₃ Film di GaN mediato attraverso un monostrato interfacciale tagliente. Per determinare la struttura atomica di questo monostrato interfacciale, Quintela et al. ha eseguito ulteriori studi STEM ed EDS e ha mostrato l'ordinamento degli atomi in una struttura periodica bidimensionale (2-D) con simmetria rotazionale.

Calcoli dei primi principi

Il team ha eseguito calcoli sui principi primi per studiare la stabilità del modello interfacciale derivato da esperimenti di risoluzione atomica. Utilizzando simulazioni, hanno calcolato le energie di formazione per testare la stabilità e hanno confermato che il modello interfacciale è energeticamente stabile. Lavoro extra, però, ha mostrato evidenti discrepanze tra gli studi sperimentali e teorici, che gli scienziati hanno attribuito all'insorgenza di Mn ₃ Crescita di GaN in presenza di una barriera energetica, dove la discrepanza ha impedito al sistema di rilassarsi dal minimo energetico locale a quello globale. Quintela et al. esplorato ulteriormente questa ipotesi nel loro lavoro. Gli studi sperimentali e teorici combinati hanno mostrato come il monostrato interfacciale ha funzionato come un ponte strutturale tra il substrato di perovskite e il film di antiperovskite per stabilire l'eteroepitassia tra i materiali non isostrutturali (struttura cristallina dissimile) con diversa composizione chimica e legame.

In questo modo, Camilo X. Quintela e colleghi hanno realizzato per la prima volta una struttura a ponte atomicamente tagliente come interfaccia epitassiale tra le antiperovskiti di nitruro e le perovskiti di ossido. Il lavoro costituisce un passaggio fondamentale per sviluppare una nuova classe di eterostrutture epitassiali utilizzando materiali con proprietà cristallochimiche dissimili. Il potenziale per progettare nuove eterointerfacce fornisce un eccitante parco giochi per manipolare le proprietà fisiche dell'interfaccia e stabilire nuovi stati della materia. A causa dell'ampio potenziale quantistico di questi materiali, che include la spintronica antiferromagnetica, la progettazione razionale di eterostrutture epitassiali di antiperovskiti e perovskiti è di grande importanza per la regolazione delle proprietà e la progettazione funzionale dei dispositivi. Il team prevede che questa strategia aprirà un nuovo ed entusiasmante capitolo per la progettazione e l'ingegneria dei materiali.

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