Un equipo de científicos de materiales de Penn State, Cornell y Argonne National Laboratory ha visualizado, por primera vez, la estructura de densidad atómica y electrónica en 3D del sistema de estructura de cristal de perovskita más complejo descodificado hasta la fecha.
Las perovskitas son minerales de interés como aislantes eléctricos, semiconductores, metales o superconductores, según la disposición de sus átomos y electrones.
Los cristales de perovskita tienen una agrupación inusual de átomos de oxígeno que forman un octaedro, un polígono de ocho lados. Esta disposición de átomos de oxígeno actúa como una jaula que puede contener una gran cantidad de átomos elementales en la tabla periódica. Además, otrasLos átomos se pueden fijar a las esquinas de un cubo fuera de la jaula en lugares precisos para alterar las propiedades del material, por ejemplo, al cambiar un metal en un aislante, o un no imán en un ferromaimán.
En su trabajo actual, el equipo hizo crecer el primer cristal de perovskita descubierto, llamado titanato de calcio, sobre una serie de otros sustratos de cristal de perovskita con jaulas de oxígeno similares pero ligeramente diferentes en sus superficies. Porque la perovskita de película delgada en la parte superior quierepara adaptarse a la estructura del sustrato más grueso, contorsiona sus jaulas en un proceso conocido como epitaxia de inclinación. Los investigadores encontraron que esta epitaxia de inclinación del titanato de calcio hizo que un material muy común se volviera ferroeléctrico, una polarización espontánea, y permaneciera ferroeléctrico.hasta 900 Kelvin, aproximadamente tres veces más caliente que la temperatura ambiente. También pudieron visualizar la distribución de densidad electrónica tridimensional en una película delgada de titanato de calcio por primera vez.
"Hemos podido ver los átomos durante bastante tiempo, pero no mapearlos y su distribución de electrones en el espacio en un cristal en tres dimensiones", dijo Venkat Gopalan, profesor de física y ciencia de los materiales, Penn State.puede ver no solo dónde se encuentran los núcleos atómicos en el espacio, sino también cómo se comparten sus nubes de electrones, lo que nos dirá básicamente todo lo que necesitamos saber sobre el material para inferir sus propiedades ".
Ese fue el desafío que el equipo se propuso hace más de cinco años cuando Gopalan le entregó el proyecto a su alumno y autor principal de un nuevo informe en Comunicaciones de la naturaleza , Yakun Yuan,. Basado en una técnica de visualización de rayos X rara vez utilizada llamada COBRA, análisis coherente de la barra de Bragg desarrollada originalmente por un grupo en Israel, Yuan descubrió cómo expandir y modificar la técnica para analizar uno de los mássistemas de materiales menos simétricos y complicados estudiados hasta la fecha. Este sistema es un cristal de perovskita tridimensional deformado con inclinaciones octaédricas en todas las direcciones, que crece sobre otra estructura cristalina igualmente compleja.
"Para revelar detalles estructurales 3D a nivel atómico, tuvimos que recopilar amplios conjuntos de datos utilizando la fuente de rayos X de sincrotrón más brillante disponible en Argonne National Labs y analizarlos cuidadosamente con el código de análisis COBRA modificado para adaptarse a la complejidad de tan bajosimetría ", dijo Yuan.
Gopalan continuó explicando que muy pocas jaulas de oxígeno de perovskita están perfectamente alineadas en todo el material. Algunas giran en sentido contrario a las agujas del reloj en una capa de átomos y en el sentido de las agujas del reloj en la siguiente. Algunas jaulas se deforman o se inclinan en direcciones que están dentro o fueradel plano a la superficie del sustrato. Desde la interfaz de una película con el sustrato en el que se cultiva, hasta su superficie, cada capa atómica puede tener cambios únicos en su estructura y patrón. Todas estas distorsiones hacen una diferencia en elpropiedades del material, que pueden predecir mediante una técnica computacional llamada teoría funcional de la densidad DFT.
"Las predicciones de los cálculos de DFT proporcionan información que complementa los datos experimentales y ayudan a explicar la forma en que las propiedades del material cambian con la alineación o inclinación de las jaulas de oxígeno de perovskita", dijo Susan Sinnott, directora y profesora de Ciencia e Ingeniería de Materiales.cuyo grupo realizó los cálculos teóricos.
El equipo también validó su avanzada técnica COBRA contra múltiples imágenes de su material utilizando el poderoso microscopio electrónico de transmisión Titan en el Instituto de Investigación de Materiales en Penn State. Dado que los microscopios electrónicos toman imágenes de muestras transparentes de electrones extremadamente delgadas en una proyección 2D, no todosla imagen 3D podría capturarse incluso con el mejor microscopio disponible en la actualidad y con múltiples orientaciones de muestra. Esta es un área donde la imagen dimensional 3D por la técnica COBRA superó a la microscopía electrónica en estructuras tan complejas.
Los investigadores creen que su técnica COBRA es aplicable al estudio de muchos otros cristales atómicos 3D de baja simetría.
Autores adicionales sobre "Reconstrucción tridimensional de la densidad electrónica a escala atómica de la epitaxia de inclinación octaédrica en perovskitas funcionales" Yanfu Lu, estudiante de doctorado en el grupo de Sinnott, Greg Stone, ex becario postdoctoral de Gopalan, Ke Wang, científico de planta enInstituto de Investigación de Materiales de Penn State, Darrell Schlom y su estudiante de doctorado Charles Brooks, Universidad de Cornell, y Hua Zhou, científico de planta, Laboratorio Nacional Argonne.
La National Science Foundation financió este proyecto con apoyo adicional proporcionado a través del Departamento de Energía y el Penn State 2D Crystal Consortium, una NSF Materials Innovation Platform y el Penn State institute for CyberScience.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Penn State . Original escrito por Walt Mills. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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