Il professor K. Andre Mkhoyan dell'Università del Minnesota e il suo team hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione analitica (STEM), che combina l'imaging con la spettroscopia, osservare le proprietà metalliche nello stannato di bario cristallino di perovskite (BaSnO3). L'immagine STEM a risoluzione atomica, con una struttura cristallina BaSnO3 (a sinistra), mostra una disposizione irregolare degli atomi identificati come il nucleo del difetto della linea metallica. Credito:Gruppo Mkhoyan, Università del Minnesota
Nella rivoluzionaria ricerca sui materiali, un team guidato dal professor K. Andre Mkhoyan dell'Università del Minnesota ha fatto una scoperta che unisce il meglio di due qualità ricercate per touchscreen e finestre intelligenti:trasparenza e conduttività.
I ricercatori sono i primi ad osservare linee metalliche in un cristallo di perovskite. Le perovskiti abbondano al centro della Terra, e lo stannato di bario (BaSnO3) è uno di questi cristalli. Però, non è stato studiato ampiamente per le proprietà metalliche a causa della prevalenza di materiali più conduttivi sul pianeta come metalli o semiconduttori. La scoperta è stata effettuata utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione avanzata (TEM), una tecnica in grado di formare immagini con ingrandimenti fino a 10 milioni.
La ricerca è pubblicata su Progressi scientifici .
"La natura conduttiva e la direzione preferenziale di questi difetti della linea metallica significano che possiamo realizzare un materiale trasparente come il vetro e allo stesso tempo molto ben conduttivo direzionale come un metallo, " disse Mkhoyan, un esperto di TEM e Ray D. e Mary T. Johnson/Mayon Plastics Chair nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali presso il College of Science and Engineering dell'Università del Minnesota. "Questo ci offre il meglio di due mondi. Possiamo rendere trasparenti e allo stesso tempo conduttivi finestre o nuovi tipi di touch screen. Questo è molto eccitante".
Difetti, o imperfezioni, sono comuni nei cristalli e i difetti di linea (il più comune tra loro è la dislocazione) sono una fila di atomi che deviano dall'ordine normale. Poiché le dislocazioni hanno la stessa composizione di elementi del cristallo ospite, i cambiamenti nella struttura della banda elettronica al nucleo di dislocazione, a causa della riduzione della simmetria e della deformazione, sono spesso solo leggermente diversi da quelli dell'ospite. I ricercatori avevano bisogno di guardare al di fuori delle dislocazioni per trovare il difetto della linea metallica, dove la composizione del difetto e la struttura atomica risultante sono molto diverse.
Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione analitica avanzata (STEM) con un ingrandimento di 10 milioni di volte, I ricercatori dell'Università del Minnesota sono stati in grado di isolare e visualizzare la struttura e la composizione del difetto della linea metallica in un cristallo di perovskite BaSnO3. Questa immagine mostra la disposizione atomica sia del cristallo BaSnO3 (a sinistra) che del difetto della linea metallica. Credito:Gruppo Mkhoyan, Università del Minnesota
"Abbiamo individuato facilmente questi difetti di linea nelle immagini di microscopia elettronica a trasmissione a scansione ad alta risoluzione di questi BaSnO 3 film sottili a causa della loro configurazione atomica unica e li abbiamo visti solo nella vista in pianta, " disse Hwanhui Yun, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali e autore principale dello studio.
Per questo studio, BaSnO 3 i film sono stati coltivati mediante epitassia a fascio molecolare (MBE), una tecnica per fabbricare cristalli di alta qualità, in un laboratorio presso l'Università del Minnesota Twin Cities. Difetti della linea metallica osservati in questi BaSnO 3 i film si propagano lungo la direzione di crescita del film, il che significa che i ricercatori possono potenzialmente controllare come o dove compaiono i difetti di linea e potenzialmente ingegnerizzarli secondo necessità nei touchscreen, finestre intelligenti, e altre tecnologie future che richiedono una combinazione di trasparenza e conduttività.
"Dovevamo essere creativi per coltivare BaSnO . di alta qualità 3 film sottili con MBE. È stato emozionante quando questi nuovi difetti di linea sono venuti alla luce al microscopio, "ha detto Bharat Jalan, professore associato e Shell Chair nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali, che dirige il laboratorio che coltiva una varietà di film di ossido di perovskite di MBE.
Cristalli di perovskite (ABX 3 ) contengono tre elementi nella cella unitaria. Questo gli dà libertà per alterazioni strutturali come la composizione e la simmetria dei cristalli, e la capacità di ospitare una varietà di difetti. A causa della diversa coordinazione e degli angoli di legame degli atomi nel nucleo del difetto di linea, vengono introdotti nuovi stati elettronici e la struttura della banda elettronica viene modificata localmente in modo così drammatico da trasformare in metallo il difetto di linea.
"Era affascinante come la teoria e l'esperimento si accordassero l'uno con l'altro qui, " disse Turan Birol, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali ed esperto in teoria del funzionale della densità (DFT). "Potremmo verificare le osservazioni sperimentali della struttura atomica e delle proprietà elettroniche di questo difetto di linea con i calcoli DFT dei primi principi".
Per leggere il documento di ricerca completo intitolato "Difetto di linea metallica nella perovskite trasparente a banda larga BaSnO3, " visitare il Progressi scientifici sito web.
