Un equipo de científicos de materiales de Penn State, El Laboratorio Nacional de Cornell y Argonne tienen, por primera vez, visualizó la estructura tridimensional de densidad atómica y electrónica del sistema de estructura cristalina de perovskita más complejo descodificado hasta la fecha.

Las perovskitas son minerales de interés como aislantes eléctricos, semiconductores, metales o superconductores, dependiendo de la disposición de sus átomos y electrones.

Los cristales de perovskita tienen un grupo 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. Adicionalmente, otros átomos se pueden fijar a las esquinas de un cubo fuera de la jaula en ubicaciones precisas para alterar las propiedades del material, por ejemplo, al transformar un metal en un aislante, o un no imán en un ferromaimán.

En su trabajo actual, el equipo cultivó el primer cristal de perovskita descubierto, llamado titanato de calcio, encima de una serie de otros sustratos de cristal de perovskita con jaulas de oxígeno similares pero ligeramente diferentes en sus superficies. Debido a que la capa delgada de perovskita en la parte superior quiere 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. alrededor de tres veces más caliente que la temperatura ambiente. También pudieron visualizar la distribución tridimensional de la densidad de electrones en una película delgada de titanato de calcio por primera vez.

"Hemos podido ver 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 ciencia y física de los materiales, Penn State. "Si podemos ver no solo dónde se encuentran los núcleos atómicos en el espacio, sino también cómo se comparten sus nubes de electrones, 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 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 varillas de Bragg) desarrollado originalmente por un grupo en Israel, Yuan descubrió cómo expandir y modificar la técnica para analizar uno de los más complicados, sistemas de materiales menos simétricos estudiados hasta la fecha. Este sistema es un cristal de perovskita tridimensional deformado con inclinaciones octaédricas en todas las direcciones, crecido sobre otra estructura cristalina igualmente compleja.

"Para revelar detalles estructurales tridimensionales a nivel atómico, tuvimos que recopilar conjuntos de datos extensos 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 una simetría tan baja, "dijo Yuan.

Gopalan continuó explicando que muy pocas jaulas de oxígeno de perovskita están perfectamente alineadas en todo el material. Algunos giran en sentido antihorario en una capa de átomos y en sentido horario en la siguiente. Algunas jaulas se deforman o se inclinan en direcciones que están dentro o fuera del plano de la superficie del sustrato. Desde la interfaz de una película con el sustrato sobre el que se cultiva, todo el camino hasta su superficie, cada capa atómica puede tener cambios únicos en su estructura y patrón. Todas estas distorsiones marcan la diferencia en las propiedades del material, que pueden predecir utilizando 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, director y profesor 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 obtienen imágenes de muestras transparentes de electrones extremadamente delgadas en una proyección 2-D, no se pudo capturar toda la imagen en 3-D incluso con el mejor microscopio disponible en la actualidad y con múltiples orientaciones de muestra. Ésta es un área donde la obtención de imágenes tridimensionales mediante 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 3-D, Cristales atómicos de baja simetría.