La naturaleza conductora de las estructuras cristalinas se revela con un aumento de 10 millones de veces: un estudio de la Universidad de Minnesota abre posibilidades para nuevos materiales transparentes que conduzcan electricidad

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El profesor K. Andre Mkhoyan de la Universidad de Minnesota y su equipo utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido analítico (STEM), que combina imágenes con espectroscopía, para observar las propiedades metálicas en el cristal de perovskita estannato de bario (BaSnO3). La imagen STEM de resolución atómica, con una estructura cristalina de BaSnO3 (a la izquierda), muestra una disposición irregular de átomos identificados como el núcleo del defecto de la línea metálica. CRÉDITO
Mkhoyan Group, Universidad de Minnesota

Abstracto:
En una investigación de materiales innovadora, un equipo dirigido por el profesor K. Andre Mkhoyan de la Universidad de Minnesota ha hecho un descubrimiento que combina lo mejor de dos cualidades buscadas para pantallas táctiles y ventanas inteligentes: transparencia y conductividad.

Naturaleza conductora en estructuras cristalinas revelada con un aumento de 10 millones de veces: un estudio de la Universidad de Minnesota abre posibilidades para nuevos materiales transparentes que conduzcan la electricidad

Twin Cities, MN | Publicado el 15 de enero de 2021

Los investigadores son los primeros en observar líneas metálicas en un cristal de perovskita. Las perovskitas abundan en el centro de la Tierra, y el estannato de bario (BaSnO3) es uno de esos cristales. Sin embargo, no se ha estudiado extensamente las propiedades metálicas debido a la prevalencia de materiales más conductores en el planeta como metales o semiconductores. El hallazgo se realizó utilizando microscopía electrónica de transmisión avanzada (TEM), una técnica que puede formar imágenes con aumentos de hasta 10 millones.

La investigación se publica en Science Advances, una revista científica revisada por pares publicada por la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS).

"La naturaleza conductora y la dirección preferencial de estos defectos de líneas metálicas significan que podemos hacer un material que sea transparente como el vidrio y al mismo tiempo muy agradablemente conductivo direccionalmente como un metal", dijo Mkhoyan, un experto en TEM y Ray D. y Mary T. Johnson / Mayon Plastics Catedrático del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Minnesota. “Esto nos da lo mejor de dos mundos. Podemos hacer ventanas o nuevos tipos de pantallas táctiles transparentes y al mismo tiempo conductoras. Esto es muy emocionante ".

Los defectos o imperfecciones son comunes en los cristales, y los defectos de línea (el más común de ellos es la dislocación) son una fila de átomos que se desvían del orden normal. Debido a que las dislocaciones tienen la misma composición de elementos que el cristal anfitrión, los cambios en la estructura de la banda electrónica en el núcleo de la dislocación, debido a la reducción de la simetría y la tensión, a menudo son solo ligeramente diferentes a los del anfitrión. Los investigadores necesitaban mirar fuera de las dislocaciones para encontrar el defecto de la línea metálica, donde la composición del defecto y la estructura atómica resultante son muy diferentes.

“Detectamos fácilmente estos defectos de línea en las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución de estas películas delgadas de BaSnO3 debido a su configuración atómica única y solo los vimos en la vista en planta”, dijo Hwanhui Yun, un estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería química y ciencia de los materiales y autor principal del estudio.

Para este estudio, las películas de BaSnO3 se cultivaron mediante epitaxia de haz molecular (MBE), una técnica para fabricar cristales de alta calidad, en un laboratorio de la Universidad de Minnesota Twin Cities. Los defectos de línea metálica observados en estas películas de BaSnO3 se propagan a lo largo de la dirección de crecimiento de la película, lo que significa que los investigadores pueden controlar potencialmente cómo o dónde aparecen los defectos de línea, y potencialmente diseñarlos según sea necesario en pantallas táctiles, ventanas inteligentes y otras tecnologías futuras que exigen una combinación de transparencia y conductividad.

“Tuvimos que ser creativos para producir películas delgadas de BaSnO3 de alta calidad con MBE. Fue emocionante cuando estos nuevos defectos de línea salieron a la luz en el microscopio ”, dijo Bharat Jalan, profesor asociado y presidente de Shell en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales, quien dirige el laboratorio que cultiva una variedad de películas de óxido de perovskita de MBE. .

Los cristales de perovskita (ABX3) contienen tres elementos en la celda unitaria. Esto le da libertad para alteraciones estructurales como la composición y la simetría del cristal, y la capacidad de albergar una variedad de defectos. Debido a los diferentes ángulos de coordinación y enlace de los átomos en el núcleo del defecto de línea, se introducen nuevos estados electrónicos y la estructura de la banda electrónica se modifica localmente de una manera tan dramática que convierte el defecto de línea en metal.

“Fue fascinante cómo la teoría y el experimento coincidieron aquí”, dijo Turan Birol, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales y experto en teoría funcional de la densidad (DFT). “Pudimos verificar las observaciones experimentales de la estructura atómica y las propiedades electrónicas de este defecto de línea con los primeros cálculos de DFT de principios”.

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Los miembros del equipo de investigación incluyen un Ph.D. de la Universidad de Minnesota. estudiantes y becarios postdoctorales Hwanhui Yun, Mehmet Topsakal (ahora científico asociado en el Laboratorio Nacional Brookhaven) y Abhinav Prakash (investigador postdoctoral del Laboratorio Nacional Argonne); y los profesores de la Universidad de Minnesota, K. Andre Mkhoyan, Bharat Jalan, Turan Birol y Jong Seok Jeong.

Esta investigación fue apoyada en parte por SMART, uno de los siete centros de nCORE, un programa de Semiconductor Research Corporation, patrocinado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) a través de la Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Universidad de Minnesota. Centro (MRSEC). El equipo también trabajó con el Centro de Caracterización de la Universidad de Minnesota. El trabajo de crecimiento de MBE fue apoyado parcialmente por la NSF y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

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