Heteroestruturas projetadas ou materiais em camadas feitos com materiais óxidos complexos são uma fonte rica de fenômenos técnicos emergentes e aplicações. Os cientistas de materiais pretendem desenvolver novas funcionalidades de materiais por meio da interface de perovskitas de óxido com substratos contendo propriedades cristalográficas diferentes. em uma avenida muito inexplorada. Em um novo relatório, Camilo X. Quintela e um grupo internacional de ciência dos materiais, física e engenharia nos EUA, Noruega, A China e a Coréia do Sul propuseram uma direção sem precedentes para o projeto de materiais com base em cristais de nitreto antiperovskita e óxido perovskita. Nesse trabalho, eles colocaram em camadas com sucesso dois materiais cristalinos conhecidos como perovskitas e antiperovskitas juntos, para criar uma interface com propriedades elétricas exclusivas para aplicações em uma nova classe de materiais quânticos.

Durante os experimentos, Quintela et al. desenvolveram interfaces nítidas entre o nitreto antiperovskita denotado Mn ₃ GaN e perovskitas de óxido, tais como (La _0,3 Sr _0,7 )(UMA _10,65 Ta _0,35 ) O ₃ e titanato de estrôncio (SrTiO ₃ ) Então, usando técnicas espectroscópicas e cálculos de primeiros princípios, eles notaram uma fusão de monocamada interfacial coerente entre as duas antiestruturas e surpreendentemente medeiam a heterointerface antiperovskita / perovskita além das previsões teóricas. Os resultados ajudarão a desenvolver novas propriedades interessantes na interface para aplicações de ultra-baixa potência em spintrônica, como transistores, chips de memória e dispositivos de armazenamento. O trabalho agora está publicado em Avanços da Ciência .

Cristais de perovskita e antiperovskita

Cristais de perovskita são geralmente óxidos com íons carregados positiva e negativamente com ótica promissora, propriedades magnéticas e elétricas. Em antiperovskitas, a colocação dos íons carregados positiva e negativamente é invertida para criar outra classe de materiais com propriedades diferentes das perovskitas. Os materiais antiperovskita são materiais intermetálicos com estrutura de cristal de perovskita e, muito parecido com suas contrapartes de óxido perovskita, eles mostram uma variedade de propriedades físicas ajustáveis, incluindo supercondutividade, ferromagnetismo, magnetorresistência e comportamento eletrônico topológico. Entre esses materiais anti-perovskita, compostos de nitreto à base de metal de transição, denotado M ₃ XN, onde M é igual a metal de transição e X é igual a elementos metálicos ou semicondutores, são particularmente interessantes, com alta sensibilidade a campos magnéticos, temperatura ou pressão. Tais sensibilidades de materiais resultam de fortes características de acoplamento de rede de spin de M ₃ Compostos XN, que pode ser ajustado ou manipulado por meio de engenharia de deformação. Adicionalmente, os cientistas usaram as propriedades físicas do ABO ₃ óxido perovskitas como gatilhos externos para ajustar a funcionalidade de materiais antiperovskita. O ABO ₃ compostos são sistemas de materiais incomparáveis ​​para interface com M ₃ Antiperovskitas de nitreto de XN devido às suas estruturas análogas, para promover o crescimento epitaxial (a montagem de materiais diferentes em um único filme). Para explorar a epitaxia no nível atômico, Quintela et al. investigou a estrutura interfacial e química entre os materiais nitreto antiperovskita e óxido perovskita.

Desenvolvimento e caracterização da interface nitreto antiperovskita / óxido perovskita

Neste trabalho Quintela et al. fabricou um Mn de alta qualidade ₃ Filme GaN em (La _0,3 Sr _0,7 )(UMA _10,65 Ta _0,35 ) O ₃ (abreviado como LSAT) e substratos de cristal único de titanato de estrôncio como paradigmas de M ₃ XN / ABO ₃ interfaces. Usando difração de raios-X (XRD), eles caracterizaram estruturalmente o Mn de 60 nm de espessura ₃ O filme de GaN cresceu no substrato LSAT e monitorou o crescimento epitaxial e a estrutura monofásica dos filmes usando difração de elétrons de alta energia de reflexão (RHEED). Os resultados mostraram a alta qualidade cristalina do filme e a interface primitiva.

Para entender a estrutura e composição química do Mn ₃ Interface GaN / LSAT, Quintela et al. microscopia eletrônica de transmissão de varredura de resolução atômica combinada (STEM) com espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) e espectroscopia de raios-X dispersiva de energia (EDS). O primeiro Mn interfacial ₃ A monocamada de GaN mostrou um padrão de manchas brilhantes e escuras alternadas para indicar a reconfiguração composicional ou estrutural na interface. Usando simulações e análises químicas estruturais, a equipe mostrou transições do substrato LSAT para o Mn ₃ Filme de GaN mediado por uma monocamada interfacial nítida. Para determinar a estrutura atômica desta monocamada interfacial, Quintela et al. realizaram estudos STEM e EDS adicionais e mostraram a ordenação dos átomos em uma estrutura periódica bidimensional (2-D) com simetria rotacional.

Cálculos de primeiros princípios

A equipe realizou cálculos de primeiros princípios para estudar a estabilidade do modelo interfacial derivado de experimentos de resolução atômica. Usando simulações, eles calcularam as energias de formação para testar a estabilidade e confirmaram que o modelo interfacial é energeticamente estável. Trabalho adicional, Contudo, mostraram aparentes discrepâncias entre os estudos experimentais e teóricos, que os cientistas creditaram ao início do Mn ₃ O crescimento de GaN na presença de uma barreira de energia, onde a discrepância impediu o sistema de relaxar do mínimo de energia local para o global. Quintela et al. explorou ainda mais essa hipótese em seu trabalho. Os estudos experimentais e teóricos combinados mostraram como a monocamada interfacial funcionou como uma ponte estrutural entre o substrato de perovskita e o filme antiperovskita para estabelecer heteroepitaxi entre os materiais não isoestruturais (estrutura cristalina dissimilar) com composição química e ligação diferentes.

Desta maneira, Camilo X. Quintela e seus colegas perceberam uma estrutura de ponte atomicamente nítida como uma interface epitaxial entre os antiperovskitas de nitreto e perovskites de óxido pela primeira vez. O trabalho constitui uma etapa crítica para desenvolver uma nova classe de heteroestruturas epitaxiais usando materiais com propriedades cristaloquímicas diferentes. O potencial para projetar novas heterointerfaces fornece um playground emocionante para manipular propriedades físicas interfaciais e estabelecer novos estados da matéria. Devido ao amplo potencial quântico desses materiais, que inclui spintrônica anti-ferromagnética, o projeto racional de heteroestruturas epitaxiais de antiperovskitas e perovskitas é de grande importância para o ajuste de propriedades e projeto de dispositivos funcionais. A equipe prevê que esta estratégia abrirá um novo e emocionante capítulo para design e engenharia de materiais.

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