Las heteroestructuras de ingeniería o los materiales en capas hechos con materiales de óxido complejos son una rica fuente de fenómenos y aplicaciones técnicas emergentes. Los científicos de materiales tienen como objetivo desarrollar nuevas funcionalidades de materiales mediante la interconexión de perovskitas de óxido con sustratos que contienen propiedades cristalográficas diferentes. en una avenida inmensamente inexplorada. En un nuevo informe, Camilo X. Quintela y un grupo internacional en ciencia de materiales, física e ingeniería en los EE. UU., Noruega, China y Corea del Sur propusieron una dirección sin precedentes para el diseño de materiales basados ​​en cristales de nitruro antiperovskita y óxido de perovskita. En este trabajo, superpusieron con éxito dos materiales cristalinos conocidos como perovskitas y antiperovskitas juntos, para crear una interfaz con propiedades eléctricas únicas para aplicaciones en una nueva clase de materiales cuánticos.

Durante los experimentos, Quintela y col. desarrolló interfaces nítidas entre el nitruro antiperovskita denotado Mn ₃ Perovskitas de óxido y GaN como (La _0,3 Sr _0,7 )(A _l0,65 Ejército de reserva _0,35 ) O ₃ y titanato de estroncio (SrTiO ₃ ). Luego, utilizando técnicas espectroscópicas y cálculos de primeros principios, notaron una fusión de monocapa interfacial coherente entre las dos antiestructuras y, sorprendentemente, median en la heterointerfaz antiperovskita / perovskita más allá de las predicciones teóricas. Los resultados ayudarán a desarrollar nuevas y emocionantes propiedades en la interfaz para aplicaciones de energía ultrabaja en espintrónica, como transistores, chips de memoria y dispositivos de almacenamiento. El trabajo ahora está publicado en Avances de la ciencia .

Cristales de perovskita y antiperovskita

Los cristales de perovskita son generalmente óxidos con iones cargados positiva y negativamente con ópticas prometedoras, propiedades magnéticas y eléctricas. En las antiperovskitas, la ubicación de los iones cargados positiva y negativamente se invierte para crear otra clase de materiales con propiedades diferentes a las de las perovskitas. Los materiales de antiperovskita son materiales intermetálicos con estructura cristalina de perovskita y, al igual que sus contrapartes de óxido de perovskita, muestran una variedad de propiedades físicas ajustables, incluida la superconductividad, ferromagnetismo, magnetorresistencia y comportamiento electrónico topológico. Entre tales materiales anti-perovskita, compuestos de nitruro a base de metales de transición, denotado M ₃ XN, donde M es igual a metal de transición y X es igual a elementos metálicos o semiconductores, son particularmente interesantes, con alta sensibilidad a los campos magnéticos, temperatura o presión. Tales sensibilidades de materiales resultan de fuertes características de acoplamiento espín-rejilla de M ₃ Compuestos XN, que se puede ajustar o manipular mediante ingeniería de deformación. Adicionalmente, Los científicos han utilizado las propiedades físicas de ABO. ₃ perovskitas de óxido como desencadenantes externos para ajustar la funcionalidad de los materiales antiperovskita. El ABO ₃ Los compuestos son sistemas de materiales incomparables para interactuar con M ₃ Antiperovskites de nitruro XN debido a sus estructuras análogas, para promover el crecimiento epitaxial (el ensamblaje de materiales diferentes en una sola película). Para explorar la epitaxia a nivel atómico, Quintela y col. investigó la estructura interfacial y la química entre los materiales de nitruro antiperovskita y óxido de perovskita.

Desarrollo y caracterización de la interfaz nitruro antiperovskita / óxido perovskita

En este trabajo Quintela et al. fabricó un Mn de alta calidad ₃ Película de GaN en (La _0,3 Sr _0,7 )(A _l0,65 Ejército de reserva _0,35 ) O ₃ (abreviado LSAT) y sustratos monocristalinos de titanato de estroncio como paradigmas de M ₃ XN / ABO ₃ interfaces. Usando difracción de rayos X (XRD), ellos caracterizaron estructuralmente el Mn de 60 nm de espesor ₃ Se cultivó una película de GaN sobre el sustrato LSAT y se controló el crecimiento epitaxial y la estructura monofásica de las películas mediante difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED). Los resultados mostraron la alta calidad cristalina de la película y la interfaz prístina.

Comprender la estructura y composición química del Mn. ₃ Interfaz GaN / LSAT, Quintela y col. microscopía electrónica de transmisión de barrido de resolución atómica (STEM) combinada con espectroscopía electrónica de pérdida de energía (EELS) y espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS). El primer Mn interfacial ₃ La monocapa de GaN mostró un patrón de alternancia de puntos brillantes y oscuros para indicar una reconfiguración composicional o estructural en la interfaz. Mediante simulaciones y análisis químicos estructurales, el equipo mostró transiciones del sustrato LSAT al Mn ₃ Película de GaN mediada a través de una monocapa interfacial nítida. Para determinar la estructura atómica de esta monocapa interfacial, Quintela y col. realizó estudios STEM y EDS adicionales y mostró el orden de los átomos en una estructura periódica bidimensional (2-D) con simetría rotacional.

Cálculos de primeros principios

El equipo realizó cálculos de primeros principios para estudiar la estabilidad del modelo interfacial derivado de experimentos de resolución atómica. Usando simulaciones, calcularon las energías de formación para probar la estabilidad y confirmaron que el modelo interfacial es energéticamente estable. Trabajo adicional, sin embargo, mostró aparentes discrepancias entre los estudios experimentales y teóricos, que los científicos atribuyen a la aparición de Mn ₃ Crecimiento de GaN en presencia de una barrera energética, donde la discrepancia impidió que el sistema se relajara del mínimo de energía local al global. Quintela y col. exploró más a fondo esta hipótesis en su trabajo. Los estudios experimentales y teóricos combinados mostraron cómo la monocapa interfacial funcionaba como un puente estructural entre el sustrato de perovskita y la película de antiperovskita para establecer heteroepitaxia entre los materiales no isoestructurales (estructura cristalina diferente) con diferente composición química y unión.

De este modo, Camilo X. Quintela y sus colegas descubrieron por primera vez una estructura de puente atómicamente aguda como una interfaz epitaxial entre las antiperovskitas de nitruro y las perovskitas de óxido. El trabajo constituye un paso crítico para desarrollar una nueva clase de heteroestructuras epitaxiales utilizando materiales con propiedades cristaloquímicas diferentes. El potencial para diseñar nuevas heterointerfaces proporciona un campo de juego emocionante para manipular las propiedades físicas de las interfaces y establecer nuevos estados de la materia. Debido al amplio potencial cuántico de estos materiales, que incluye espintrónica anti-ferromagnética, El diseño racional de heteroestructuras epitaxiales de antiperovskitas y perovskitas es de gran importancia para el ajuste de propiedades y el diseño de dispositivos funcionales. El equipo prevé que esta estrategia abrirá un capítulo nuevo y emocionante para el diseño y la ingeniería de materiales.

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