В новаторских исследованиях материалов команда под руководством профессора Миннесотского университета К. Андре Мхоян сделал открытие, которое сочетает в себе лучшее из двух востребованных качеств сенсорных экранов и умных окон-прозрачность и проводимость.

Исследователи первыми обнаружили металлические линии в кристалле перовскита. Перовскиты изобилуют в центре Земли, и одним из таких кристаллов является станнат бария (BaSnO3). Однако он не был широко изучен на предмет металлических свойств из-за преобладания на планете более проводящих материалов, таких как металлы или полупроводники. Открытие было сделано с помощью усовершенствованной просвечивающей электронной микроскопии( ТЭМ) - метода, позволяющего формировать изображения с увеличением до 10 миллионов.

"Проводящая природа и преимущественное направление этих дефектов металлических линий означают, что мы можем сделать материал прозрачным, как стекло, и в то же время очень хорошо проводящим по направлению, как металл", - сказал Мхоян, эксперт по Тэм и заведующий кафедрой пластики Рэя Д. и Мэри Т. Джонсон/Майон на кафедре химической инженерии и материаловедения колледжа науки и техники Университета Миннесоты. - Это дает нам лучшее из двух миров. Мы можем сделать окна или новые типы сенсорных экранов прозрачными и в то же время проводящими. Это очень интересно."

Дефекты, или несовершенства, часто встречаются в кристаллах, а линейные дефекты (наиболее распространенным из них является дислокация) представляют собой ряд атомов, отклоняющихся от нормального порядка. Поскольку дислокации имеют тот же состав элементов, что и Кристалл-носитель, изменения электронной зонной структуры в ядре дислокации, вызванные уменьшением симметрии и деформацией, часто лишь незначительно отличаются от изменений в ядре-носителе. Исследователям нужно было заглянуть за пределы дислокаций, чтобы найти дефект металлической линии, где дефектный состав и результирующая атомная структура значительно отличаются.

"Мы легко обнаружили эти линейные дефекты на снимках сканирующей просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения тонких пленок BaSnO3 из-за их уникальной атомной конфигурации, и мы видели их только в плане", - сказал Хванхуэй Юн, аспирант кафедры химической инженерии и материаловедения и ведущий автор исследования.

Для этого исследования пленки BaSnO3 были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE)—методом получения высококачественных кристаллов-в лаборатории Университета городов—побратимов Миннесоты. Металлические линейные дефекты, наблюдаемые в этих пленках BaSnO3, распространяются вдоль направления роста пленки, что означает, что исследователи потенциально могут контролировать, как и где появляются линейные дефекты, и потенциально проектировать их по мере необходимости в сенсорных экранах, интеллектуальных окнах и других будущих технологиях, требующих сочетания прозрачности и проводимости.

"Нам пришлось проявить изобретательность, чтобы выращивать качественный BaSnO3 тонких пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Это было захватывающе, когда эти новые линейные дефекты появились на свет в микроскопе", - сказал Бхарат Джалан, адъюнкт-профессор и заведующий кафедрой химической инженерии и материаловедения Shell, возглавляющий лабораторию, которая выращивает различные пленки оксидов перовскита MBE.

Кристаллы перовскита (ABX3) содержат в элементарной ячейке три элемента. Это дает ему свободу для структурных изменений, таких как состав и симметрия кристаллов, а также способность принимать различные дефекты. Из-за различных углов координации и связи атомов в ядре линейного дефекта вводятся новые электронные состояния, и электронная зонная структура изменяется локально таким драматическим образом, что она превращает линейный дефект в металл.

"Было удивительно, как теория и эксперимент здесь согласуются друг с другом", - сказал Туран Бироль, доцент кафедры химической инженерии и материаловедения и эксперт по теории функционала плотности (DFT). "Мы могли бы проверить экспериментальные наблюдения атомной структуры и электронных свойств этого линейного дефекта с помощью первых принципов расчетов DFT."

Чтобы прочитать полную исследовательскую работу под названием "дефект металлической линии в широкополосном прозрачном перовските BaSnO3", посетите веб-сайт Science Advances.

ИСТОЧНИК