Un diagramma schematico della sintesi del ceppo sviluppato di eterostrutture di ossido composito. Durante la crescita epitassiale di materiali ospiti (BiT) con una grande costante reticolare c, un altro materiale (BFO) con una cella elementare più piccola è incorporato in situ, risultante in un sistema composito BiTF. Ci sono quattro strati ottaedrici con ioni Ti (blu) e Fe (rosso) tra due strati di BiO2−. All'ingrosso, non c'è modo di controllare la distribuzione locale degli ioni Ti e Fe tra quattro strati ottaedrici. Però, la deformazione in film sottile può funzionare come bracci di nanorobot in quanto gli ioni Fe si posizionano preferenzialmente negli strati ottaedrici interni (esterni) sotto sforzo di trazione (compressione) per ridurre l'energia totale del sistema. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd7394
Il design teorico dei materiali e la sintesi sperimentale sono avanzati negli ultimi decenni con un ruolo chiave nello sviluppo di materiali funzionali, utile per le tecnologie di prossima generazione. In definitiva, però, l'obiettivo della scienza della sintesi resta da raggiungere per localizzare gli atomi in una posizione specifica della materia. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Changhee Sohn e ricercatori in scienze dei materiali e fisica delle nanostrutture negli Stati Uniti e nella Repubblica di Corea hanno sviluppato un metodo unico per iniettare elementi in una posizione cristallografica specifica in un materiale composito tramite l'ingegneria della deformazione. Il team ha mostrato un modo potente per utilizzare la deformazione per manipolare artificialmente la posizione atomica per la sintesi di nuovi materiali e strutture. I risultati sono applicabili a un'ampia gamma di sistemi per fornire un nuovo percorso ai materiali funzionali.
Usare la tensione per sviluppare nuovi materiali.
La deformazione epitassiale ha origine dal disadattamento reticolare tra un film e un substrato per manipolare importanti proprietà fisiche dei materiali. Hanno anche rivoluzionato le industrie per sviluppare processori di elaborazione centrale veloci. La ferroelettricità e il suo potenziale per la memoria ad altissima densità mostra l'importanza dell'ingegneria della deformazione nelle tecnologie future. In una recente previsione teorica, i ricercatori hanno proposto un ruolo non segnalato del ceppo per sviluppare nuovi materiali inserendo e riposizionando singoli atomi in un modo specifico del sito all'interno di una cella unitaria di materiali. Usando questo metodo guidato dalla deformazione, Sohn et al. materiali perovskite a strati combinati come Bi 4 Ti 3 oh 12 (abbreviato come BiT) e perovskiti semplici con la formula generale ABO 3 . Il BiT è un materiale ferroelettrico unico con tre substrati ottaedrici di ossigeno racchiusi tra due BiO 2 - strati. In un approccio sintetico separato, Sohn et al. formato un composito Bi 5 Ti 3 FeO 12 (BiTF) a livello di subunità per ceppo e ha controllato gli ioni di ferro (Fe) inseriti a livello di subunità. Durante gli esperimenti, hanno usato la deposizione laser pulsata con due bersagli Bi 4 Ti 3 oh 12 (abbreviato come BiT) e ferrite di bismuto (BiFeO 3 ), BFO abbreviato, per dimostrare il controllo della crescita dei materiali compositi legando BFO con BiT stratificato. Durante gli esperimenti, hanno ablato il materiale a livello di subunità cellulare su titanato di stronzio (SrTiO 3 ) substrati per controllare con precisione la loro composizione. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM), il team ha visualizzato l'inserimento completo degli strati ottaedrici aggiuntivi tra l'aggiunta di BiO 2 - strati. Hanno ottenuto immagini in campo scuro anulare ad alto angolo (HAADF) di film BiT e BiTF cresciuti su substrati di titanato di stronzio, dove i segnali luminosi e intensi arrivavano dagli ioni di bismuto (Bi) pesanti e i segnali più deboli arrivavano dagli ioni di titanio e ferro più leggeri. Utilizzando il metodo dei due obiettivi, Sohn et al. hanno anche sintetizzato film sottili di BiTF epitassiali su vari substrati con diverse direzioni e grandezze di deformazione.
Caratterizzazione strutturale di film sottili di BiTF cresciuti su vari substrati. (A) Scansioni di diffrazione di raggi X θ-2θ di film compositi BiTF con la diversa frazione di blocchi BFO. Le scansioni θ-2θ mostrano l'evoluzione strutturale da BiT con tre strati ottaedrici a BiTF con quattro strati ottaedrici quando vengono inseriti i blocchi BFO. L'asterisco indica il picco 001 dal substrato STO. arb. unità, unità arbitrarie. (B) Immagini HAADF di film compositi BiT (sinistra) e BiTF (destra). Mentre le linee tratteggiate grigie sono tre strati ottaedrici già esistenti nel film BiT, la linea tratteggiata rossa mostra uno strato ottaedrico aggiuntivo nel film BiTF. Indica l'inserimento completo di un blocco di perovskite BFO nelle strutture BiT. (C) Mappe spaziali reciproche di film BiTF tesi cresciuti su quattro diversi substrati. Le linee tratteggiate nere evidenziano il substrato (103) qx. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd7394
Distribuzione del Fe ceppo-dipendente nei film BiTF. Mappatura STEM-EDX risolta atomicamente di BiTF cresciuto su (A) LAO (-0,9%), (B) STO (1,3%), e (C) substrati DSO (1,8%). La colonna più a sinistra mostra diagrammi schematici della distribuzione locale di Fe in BiTF. La colonna centrale mostra HAADF, EDX selettivo per gli elementi, e immagini EDX sovrapposte. La mappatura Fe K-edge mostra che gli ioni Fe sono preferibilmente localizzati nello strato ottaedrico esterno (interno) in BiTF/LAO (DSO) e distribuiti casualmente in BiTF/STO. La colonna più a destra sono i profili di linea di ciascun elemento lungo le frecce bianche nelle mappe EDX. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd7394
Riduzione del bandgap e polarizzazione ferroelettrica fuori piano inaspettata nei film BiTF. (da A a D) σ1(ω) di film BiT (nero) e BiTF (rosso) su ciascun substrato. La riduzione osservata del bandgap mediante l'inserimento di blocchi BFO implica che l'energia di trasferimento di carica tra gli orbitali Fe 3d e O 2p è inferiore a quella tra gli orbitali Ti 3d e O 2p. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd7394 
Per comprendere la distribuzione dipendente dalla deformazione degli ioni Fe nei materiali su scala atomica, Sohn et al. ha condotto la mappatura della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia combinata con STEM (microscopia elettronica a trasmissione a scansione) su film BiTF. Utilizzando la mappatura a raggi X a dispersione di energia (EDX) risolta atomicamente, il team ha rivelato la distinta evoluzione del materiale. L'eccellente accordo del ruolo della deformazione con la previsione teorica ha sostenuto il suo ruolo nel controllo della distribuzione degli ioni Fe nel film. Gli scienziati erano anche ansiosi di capire come l'inserimento e il posizionamento di ioni Fe nel BiT influisse sulle proprietà macroscopiche del film. Per realizzare questo, si sono prima concentrati sulle proprietà ottiche importanti per comprendere le strutture elettroniche a livello fondamentale e per le applicazioni tecniche. Dopo aver inserito i blocchi BFO, gli scienziati hanno osservato la riduzione del bandgap. Sohn et al. ha anche osservato la relazione tra la ferroelettricità dei film di BiTF e la distribuzione cationica degli ioni ferro. Successivamente, utilizzando la microscopia a forza di sonda Kelvin (cKPFM), hanno esaminato le proprietà piezoelettriche dei film per notare una forte dipendenza del substrato dalla ferroelettricità laterale e verticale.
Polarizzazioni ferroelettriche nel piano e fuori piano dipendenti dalla deformazione nei film BiTF. (da A a D) cKPFM laterale misurato lungo la direzione ortorombica [100] dopo l'applicazione di diversi impulsi di tensione, in funzione della tensione di lettura. Comportamenti di isteresi evidenti sono osservati nei film su substrati LSAT e STO, mentre la ferroelettricità è poco chiara e fortemente soppressa nei film su LAO e DSO. Questo risultato implica che la casualità della posizione dello ione Fe gioca un ruolo nella stabilizzazione della ferroelettricità. (E a H) Curve cKPFM verticali di film BiTF su ciascun substrato. Solo il film su STO mostra chiari comportamenti di isteresi ferroelettrica fuori piano, che sono vietati dalla simmetria alla rinfusa. Attribuiamo questa polarizzazione inaspettata all'asimmetria estrinseca della distribuzione cationica significata con preferenza casuale intrinseca da un moderato sforzo di trazione. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abd7394
Veduta
In questo modo, Changhee Sohn e colleghi hanno dimostrato l'esclusivo paradigma sintetico guidato dalla deformazione che ha permesso ai ricercatori di inserire atomi e dirigerli autonomamente verso una specifica posizione cristallografica della materia. Il metodo è distinto dai metodi di sintesi ben noti come l'ingegneria convenzionale dell'eterostruttura o la semplice lega di due materiali diversi. Il controllo artificiale delle posizioni atomiche guidato dalla deformazione può dare impulso alla ricerca nella scienza dei materiali e nella fisica della materia condensata per sviluppare sistemi compositi multifunzionali. Sulla base di questo metodo, Sohn et al. aspettarsi di sintetizzare materiali multiferroici e controllare il loro stato fondamentale magnetico attraverso la distribuzione cationica.
© 2021 Science X Network
