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    Eterostrutture epitassiali antiperovskite/perovskite per la progettazione dei materiali

    Rappresentazione schematica delle strutture cristalline dei composti di perovskite M3XN nitruro antiperovskite e ossido ABO3 e delle loro interfacce. (A) Celle unitarie ideali M3XN e ABO3 che mostrano le loro strutture cristalline geometricamente analoghe e le posizioni invertite degli anioni (N e O) e dei cationi (M e B) nella cella unitaria. (B) le lastre M3XN e ABO3 rappresentate come un accatastamento di piani alternati AO e BO2 e M2N e MX, rispettivamente. (C) Rappresentazione delle due comprovate configurazioni interfacciali atomicamente nitide (A′O:BO2 e B′O2:AO) tra due diversi composti di perovskite di ossido ABO3 e A′B′O3. (D) Rappresentazione delle quattro possibili configurazioni interfacciali atomicamente brusche (MX:BO2, M2N:BO2, MX:AO, e M2N:AO) tra i composti ABO3 e M3XN, a seconda dello strato di terminazione ABO3. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aba4017

    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 .

    Immagini HAADF-STEM dell'interfaccia Mn3GaN/LSAT e dei corrispondenti EDS registrati. (A) e (B) [100] hanno proiettato le immagini HAADF-STEM dell'interfaccia Mn3GaN/LSAT e (sotto ogni immagine) i corrispondenti dati EDS registrati lungo le righe atomiche rappresentate dalle frecce gialle nell'immagine HAADF-STEM. I profili della linea EDS attraverso l'interfaccia mostrano un segnale Mn dominante all'interfaccia. Sovrapposto alle immagini HAADF-STEM è la configurazione atomica proposta all'interfaccia basata su analisi EELS e EDS. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aba4017

    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.

    Caratterizzazione strutturale XRD di un Mn3GaN di 60 nm di spessore cresciuto su un substrato LSAT orientato (001). (A) Lo spettro θ-2θ grandangolare mostra solo i riflessi (00l) del substrato LSAT e del film Mn3GaN, dimostrando che il film è (001)-oriented e monofase. L'inserto mostra il modello di diffrazione elettronica ad alta energia (RHEED) di riflessione registrato del punto di diffrazione speculare dopo la crescita. (B) Scansione θ-2θ a corto raggio attorno al picco di diffrazione (002) del film Mn3GaN che mostra le frange di Kiessig, indicando interfacce incontaminate e alta qualità cristallina del film. (C) Curva oscillante del picco (002) Mn3GaN. (D) Trecentosessanta gradi -scansioni attorno ai picchi Mn3GaN e LSAT (022) dimostrano una relazione epitassiale cubo su cubo. (E) La mappatura dello spazio reciproco (RSM) attorno al punto del reticolo reciproco LSAT (-113) mostra che il Mn3GaN è ceppo rilassato. a.u., unità arbitrarie. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba4017

    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.

    Illustrazione dell'eterointerfaccia Mn3GaN/LSAT basata sui nostri risultati sperimentali. (A) Vista prospettica schematica [100] dell'eterointerfaccia Mn3GaN/LSAT. La linea arancione nello strato 2 è una guida per gli occhi, mostra l'instabilità degli atomi di Mn e Ga. (B) Rappresentazione dell'eterointerfaccia Mn3GaN/LSAT come impilamento di piani di celle atomiche. (C) [001] proiezioni dello strato interfacciale MnN (immagine in alto) e dello strato MnN sovrapposto allo strato di terminazione LSAT (Al/Ta)O2 (immagine in basso). Il quadrato tratteggiato rappresenta la cella unitaria MnN interfacciale. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aba4017.

    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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