Un diagrama esquemático de la síntesis de deformación desarrollada de heteroestructuras de óxidos compuestos. Durante el crecimiento epitaxial de materiales hospedantes (BiT) con una constante de celosía c grande, se incorpora in situ otro material (BFO) con una celda unitaria más pequeña, resultando en un sistema compuesto BiTF. Hay cuatro capas octaédricas con iones Ti (azul) y Fe (rojo) entre dos capas de BiO2−. Al por mayor, no hay forma de controlar la distribución local de iones Ti y Fe entre cuatro capas octaédricas. Sin embargo, La deformación en película delgada puede funcionar como brazos de nanorobot en el sentido de que los iones de Fe se ubican preferentemente en las capas octaédricas internas (externas) bajo deformación por tracción (compresión) para reducir la energía total del sistema. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd7394
El diseño de materiales teóricos y la síntesis experimental han avanzado en las últimas décadas con un papel clave en el desarrollo de materiales funcionales, útil para tecnologías de próxima generación. Por último, sin embargo, El objetivo de la ciencia de síntesis queda por alcanzar para ubicar los átomos en una posición específica de la materia. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Changhee Sohn e investigadores en ciencia de materiales y física de nanoestructuras en los EE. UU. Y la República de Corea desarrollaron un método único para inyectar elementos en una posición cristalográfica específica en un material compuesto mediante ingeniería de deformación. El equipo mostró una forma poderosa de utilizar la tensión para manipular artificialmente la posición atómica para la síntesis de nuevos materiales y estructuras. Los resultados son aplicables a una amplia gama de sistemas para proporcionar una nueva ruta hacia los materiales funcionales.
Usar tensión para desarrollar nuevos materiales.
La deformación epitaxial se origina en el desajuste de la red entre una película y un sustrato para manipular importantes propiedades físicas de los materiales. También han revolucionado las industrias para desarrollar procesadores informáticos centrales rápidos. La ferroelectricidad y su potencial para la memoria de densidad ultra alta muestra la importancia de la ingeniería de deformaciones en las tecnologías futuras. En una predicción teórica reciente, Los investigadores propusieron un papel no informado de la tensión para desarrollar nuevos materiales insertando y reposicionando átomos individuales de una manera específica para el sitio dentro de una celda unitaria de materiales. Usando este método impulsado por la tensión, Sohn y col. materiales combinados de perovskita en capas como Bi 4 Ti 3 O 12 (abreviado como BiT) y perovskitas simples con la fórmula general ABO 3 . El BiT es un material ferroeléctrico único con tres subcapas octaédricas de oxígeno intercaladas entre dos BiO 2 - capas. En un enfoque sintético separado, Sohn y col. formó un compuesto Bi 5 Ti 3 FeO 12 (BiTF) a nivel de subunidad por tensión y controló los iones de hierro (Fe) insertados a nivel de subunidad. Durante los experimentos, utilizaron deposición de láser pulsado con dos objetivos Bi 4 Ti 3 O 12 (abreviado como BiT) y ferrita de bismuto (BiFeO 3 ), BFO abreviado, para demostrar el control del crecimiento de materiales compuestos mediante la aleación de BFO con capas de BiT. Durante los experimentos, ablacionaron el material a nivel de subunidades de células en titanato de estroncio (SrTiO 3 ) sustratos para controlar con precisión su composición. Usando microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM), el equipo visualizó la inserción completa de las capas octaédricas adicionales entre BiO adjunto 2 - capas. Obtuvieron imágenes de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF) de películas BiT y BiTF cultivadas en sustratos de titanato de estroncio, donde las señales brillantes e intensas llegaban de iones pesados de bismuto (Bi) y las señales más débiles llegaban de los iones más ligeros de titanio y hierro. Usando el método de dos objetivos, Sohn y col. también sintetizó películas delgadas de BiTF epitaxial sobre varios sustratos con diferentes direcciones y magnitudes de deformación.
Caracterización estructural de películas delgadas de BiTF cultivadas en varios sustratos. (A) Difracción de rayos X θ-2θ escaneos de películas compuestas BiTF con la diferente fracción de bloques de BFO. Las exploraciones θ-2θ muestran la evolución estructural de BiT con tres capas octaédricas a BiTF con cuatro capas octaédricas a medida que se insertan los bloques BFO. El asterisco indica el pico 001 del sustrato STO. arb. unidades, unidades arbitrarias. (B) Imágenes HAADF de películas compuestas BiT (izquierda) y BiTF (derecha). Mientras que las líneas discontinuas grises son tres capas octaédricas que ya existen en la película BiT, la línea punteada roja muestra una capa octaédrica adicional en la película BiTF. Indica la inserción completa de un bloque de perovskita BFO en estructuras BiT. (C) Mapas espaciales recíprocos de películas BiTF deformadas cultivadas en cuatro sustratos diferentes. Las líneas discontinuas negras resaltan el sustrato (103) qx. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd7394
Distribución de Fe dependiente de la deformación en películas BiTF. Mapeo STEM-EDX de resolución atómica de BiTF cultivado en (A) LAO (−0,9%), (B) STO (1,3%), y (C) sustratos de DSO (1,8%). La columna más a la izquierda exhibe diagramas esquemáticos de distribución local de Fe en BiTF. La columna del medio exhibe HAADF, EDX selectivo de elementos, e imágenes EDX superpuestas. El mapeo del borde K de Fe muestra que los iones de Fe están ubicados preferentemente en la capa octaédrica externa (interna) en BiTF / LAO (DSO) y distribuidos aleatoriamente en BiTF / STO. La columna de la derecha son los perfiles de línea de cada elemento a lo largo de las flechas blancas en los mapas EDX. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd7394
Reducción de banda prohibida y polarización ferroeléctrica inesperada fuera del plano en películas BiTF. (A a D) σ1 (ω) de películas BiT (negro) y BiTF (rojo) en cada sustrato. La reducción observada de la banda prohibida mediante la inserción de bloques BFO implica que la energía de transferencia de carga entre los orbitales Fe 3d y O 2p es menor que entre los orbitales Ti 3d y O 2p. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd7394 
Para comprender la distribución dependiente de la deformación de los iones Fe en los materiales a escala atómica, Sohn y col. realizó mapeo de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía combinado con STEM (microscopía electrónica de transmisión de barrido) en películas BiTF. Usando mapeo de rayos X de energía dispersiva (EDX) de resolución atómica, el equipo reveló la clara evolución del material. La excelente concordancia del papel de la deformación con la predicción teórica apoyó su papel en el control de la distribución de iones Fe en la película. Los científicos también estaban interesados en comprender cómo la inserción y el posicionamiento de iones Fe en BiT afectaban las propiedades macroscópicas de la película. Para lograr esto, Primero se enfocaron en las propiedades ópticas importantes para comprender las estructuras electrónicas en el nivel fundamental y para aplicaciones técnicas. Después de insertar bloques de BFO, los científicos observaron una reducción de la banda prohibida. Sohn y col. También observó la relación entre la ferroelectricidad de las películas de BiTF y la distribución catiónica de los iones de hierro. Después de eso, utilizando microscopía de fuerza de sonda Kelvin (cKPFM), examinaron las propiedades piezoeléctricas de las películas para notar una fuerte dependencia del sustrato de la ferroelectricidad lateral y vertical.
Polarizaciones ferroeléctricas en el plano y fuera del plano dependientes de la deformación en películas BiTF. (A a D) cKPFM lateral medido a lo largo de la dirección ortorrómbica [100] después de la aplicación de diferentes pulsos de voltaje, en función de la tensión de lectura. Se observan claros comportamientos de histéresis en las películas sobre sustratos LSAT y STO, mientras que la ferroelectricidad no está clara y está fuertemente suprimida en las películas de LAO y DSO. Este resultado implica que la aleatoriedad de la posición del ion Fe juega un papel en la estabilización de la ferroelectricidad. (E a H) Curvas cKPFM verticales de películas BiTF en cada sustrato. Solo la película en STO muestra comportamientos claros de histéresis ferroeléctrica fuera del plano, que están prohibidos por la simetría a granel. Atribuimos esta polarización inesperada a la asimetría extrínseca de la distribución catiónica significada con preferencia aleatoria intrínseca por deformación por tracción moderada. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abd7394
panorama
De este modo, Changhee Sohn y sus colegas demostraron el paradigma sintético único impulsado por cepas que permitió a los investigadores insertar átomos y dirigirlos de forma autónoma a una posición cristalográfica específica de la materia. El método es distinto de los métodos de síntesis bien conocidos, como la ingeniería de heteroestructura convencional o la aleación simple de dos materiales diferentes. El control artificial de posiciones atómicas impulsado por la tensión puede impulsar la investigación en ciencia de materiales y física de materia condensada para desarrollar sistemas compuestos multifuncionales. Basado en este método, Sohn y col. esperan sintetizar materiales multiferroicos y controlar su estado fundamental magnético a través de la distribución catiónica.
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