O professor K. Andre Mkhoyan da Universidade de Minnesota e sua equipe usaram microscopia eletrônica de transmissão de varredura analítica (STEM), que combina imagens com espectroscopia, observar propriedades metálicas no estanato de bário do cristal de perovskita (BaSnO3). A imagem STEM de resolução atômica, com uma estrutura de cristal BaSnO3 (à esquerda), mostra um arranjo irregular de átomos identificados como o núcleo do defeito da linha metálica. Crédito:Grupo Mkhoyan, Universidade de Minnesota
Na pesquisa de materiais inovadores, uma equipe liderada pelo professor K. Andre Mkhoyan da Universidade de Minnesota fez uma descoberta que combina o melhor de duas qualidades procuradas para telas sensíveis ao toque e janelas inteligentes - transparência e condutividade.
Os pesquisadores são os primeiros a observar linhas metálicas em um cristal de perovskita. Perovskitas abundam no centro da Terra, e o estanato de bário (BaSnO3) é um desses cristais. Contudo, não foi estudado extensivamente para propriedades metálicas por causa da prevalência de materiais mais condutores no planeta como metais ou semicondutores. A descoberta foi feita usando microscopia eletrônica de transmissão avançada (TEM), uma técnica que pode formar imagens com ampliações de até 10 milhões.
A pesquisa é publicada em Avanços da Ciência .
"A natureza condutiva e a direção preferencial desses defeitos de linha metálica significam que podemos fazer um material transparente como o vidro e, ao mesmo tempo, muito bem condutor direcionalmente como um metal, "disse Mkhoyan, um especialista em TEM e Ray D. e Mary T. Johnson / Mayon Plastics Chair no Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Faculdade de Ciências e Engenharia da Universidade de Minnesota. "Isso nos dá o melhor de dois mundos. Podemos tornar as janelas ou novos tipos de telas sensíveis ao toque transparentes e, ao mesmo tempo, condutoras. Isso é muito empolgante."
Defeitos, ou imperfeições, são comuns em cristais - e defeitos de linha (o mais comum entre eles é o deslocamento) são uma fileira de átomos que se desviam da ordem normal. Como os deslocamentos têm a mesma composição de elementos do cristal hospedeiro, as mudanças na estrutura da banda eletrônica no núcleo de deslocamento, devido à redução de simetria e tensão, geralmente são ligeiramente diferentes do hospedeiro. Os pesquisadores precisaram olhar para fora dos deslocamentos para encontrar o defeito da linha metálica, onde a composição do defeito e a estrutura atômica resultante são muito diferentes.
Usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura analítica avançada (STEM) com uma ampliação de 10 milhões de vezes, Pesquisadores da Universidade de Minnesota foram capazes de isolar e obter imagens da estrutura e composição do defeito da linha metálica em um cristal de perovskita BaSnO3. Esta imagem mostra o arranjo atômico do cristal BaSnO3 (à esquerda) e o defeito da linha metálica. Crédito:Grupo Mkhoyan, Universidade de Minnesota
"Identificamos facilmente esses defeitos de linha nas imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de alta resolução desses BaSnO 3 filmes finos por causa de sua configuração atômica única e só os vimos na vista de planta, "disse Hwanhui Yun, um estudante de pós-graduação no Departamento de Engenharia Química e Ciência dos Materiais e um dos principais autores do estudo.
Para este estudo, BaSnO 3 os filmes foram cultivados por epitaxia de feixe molecular (MBE) - uma técnica para fabricar cristais de alta qualidade - em um laboratório da University of Minnesota Twin Cities. Defeitos de linha metálica observados nestes BaSnO 3 os filmes se propagam ao longo da direção de crescimento do filme, o que significa que os pesquisadores podem potencialmente controlar como ou onde os defeitos de linha aparecem - e potencialmente projetá-los conforme necessário em telas sensíveis ao toque, janelas inteligentes, e outras tecnologias futuras que exigem uma combinação de transparência e condutividade.
"Tínhamos que ser criativos para cultivar BaSnO de alta qualidade 3 filmes finos usando MBE. Foi emocionante quando esses novos defeitos de linha apareceram no microscópio, "disse Bharat Jalan, professor associado e presidente da Shell no Departamento de Engenharia Química e Ciência dos Materiais, que chefia o laboratório que cultiva uma variedade de filmes de óxido de perovskita da MBE.
Cristais de perovskita (ABX 3 ) contém três elementos na célula unitária. Isso lhe dá liberdade para alterações estruturais, como composição e simetria do cristal, e a capacidade de hospedar uma variedade de defeitos. Por causa dos diferentes ângulos de coordenação e ligação dos átomos no núcleo do defeito da linha, novos estados eletrônicos são introduzidos e a estrutura da banda eletrônica é modificada localmente de uma maneira tão dramática que transforma o defeito da linha em metal.
"Foi fascinante como a teoria e o experimento concordam um com o outro aqui, "disse Turan Birol, professor assistente do Departamento de Engenharia Química e Ciência dos Materiais e especialista em teoria do funcional da densidade (DFT). "Pudemos verificar as observações experimentais da estrutura atômica e das propriedades eletrônicas desse defeito de linha com cálculos DFT de primeiros princípios."
Para ler o artigo de pesquisa completo intitulado "Defeito de linha metálica em amplo bandgap perovskita transparente BaSnO3, " visite a Avanços da Ciência local na rede Internet.
