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 espectroscopia, para observar 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:Grupo Mkhoyan, Universidad de Minnesota
En la investigación de materiales innovadores, 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.
Los investigadores son los primeros en observar líneas metálicas en un cristal de perovskita. Las perovskitas abundan en el centro de la Tierra, y 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 mediante microscopía electrónica de transmisión avanzada (TEM), una técnica que puede formar imágenes con aumentos de hasta 10 millones.
La investigación se publica en Avances de la ciencia .
"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 la Cátedra Ray D. y Mary T. Johnson / Mayon Plastics en el 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".
Defectos o imperfecciones, son comunes en los cristales, y los defectos de línea (el más común entre 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 dislocación, debido a la reducción de la simetría y la deformación, a menudo son solo ligeramente diferentes a las 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.
Usando microscopía electrónica de transmisión de barrido analítico avanzado (STEM) con un aumento de 10 millones de veces, Los investigadores de la Universidad de Minnesota pudieron aislar y obtener imágenes de la estructura y composición del defecto de la línea metálica en un cristal de perovskita BaSnO3. Esta imagen muestra la disposición atómica tanto del cristal de BaSnO3 (a la izquierda) como del defecto de la línea metálica. Crédito:Grupo Mkhoyan, Universidad de Minnesota
"Detectamos fácilmente estos defectos de línea en las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución de estos BaSnO 3 películas delgadas debido a su configuración atómica única y solo las vimos en la vista en planta, "dijo Hwanhui Yun, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales y autor principal del estudio.
Para este estudio, BaSnO 3 Las películas 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. Defectos de la línea metálica observados en estos BaSnO 3 las películas 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 las pantallas táctiles, ventanas inteligentes, y otras tecnologías futuras que exigen una combinación de transparencia y conductividad.
"Teníamos que ser creativos para desarrollar BaSnO de alta calidad 3 películas delgadas 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 los Materiales, quien dirige el laboratorio que cultiva una variedad de películas de óxido de perovskita de MBE.
Cristales de perovskita (ABX 3 ) 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 los 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".
Para leer el artículo de investigación completo titulado "Defecto de línea metálica en perovskita transparente de banda ancha amplia BaSnO3, " visita el Avances de la ciencia sitio web.
