p O design de materiais teóricos e a síntese experimental avançaram nas últimas décadas com um papel fundamental no desenvolvimento de materiais funcionais, útil para tecnologias de próxima geração. Em última análise, Contudo, o objetivo da ciência de síntese ainda precisa ser alcançado a fim de localizar átomos em uma posição específica da matéria. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Changhee Sohn e pesquisadores em ciência de materiais e física nanoestruturada nos EUA e na República da Coréia desenvolveram um método exclusivo para injetar elementos em uma posição cristalográfica específica em um material composto por meio de engenharia de deformação. A equipe mostrou uma maneira poderosa de usar a tensão para manipular artificialmente a posição atômica para a síntese de novos materiais e estruturas. Os resultados são aplicáveis ​​a uma ampla gama de sistemas para fornecer uma nova rota para materiais funcionais. p Usando tensão para desenvolver novos materiais.

p A tensão epitaxial se origina da incompatibilidade de rede entre um filme e um substrato para manipular propriedades físicas importantes dos materiais. Eles também revolucionaram as indústrias para desenvolver processadores de computação centrais rápidos. Ferroeletricidade e seu potencial para memória de densidade ultra-alta mostra a importância da engenharia de deformações em tecnologias futuras. Em uma previsão teórica recente, pesquisadores propuseram um papel não relatado da cepa para desenvolver novos materiais, inserindo e reposicionando átomos individuais de uma maneira específica do local dentro de uma célula unitária de materiais. Usando este método dirigido por tensão, Sohn et al. materiais de perovskita em camadas combinadas, como Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ (abreviado como BiT) e perovskitas simples com a fórmula geral ABO ₃ . O BiT é um material ferroelétrico único com três subcamadas octaédricas de oxigênio ensanduichadas entre dois BiO ₂ ^- camadas. Em uma abordagem sintética separada, Sohn et al. formou um Bi composto ₅ Ti ₃ FeO ₁₂ (BiTF) no nível da subunidade por tensão e controlou os íons de ferro (Fe) inseridos no nível da subunidade. Durante os experimentos, eles usaram deposição de laser pulsado com dois alvos Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ (abreviado como BiT) e ferrita de bismuto (BiFeO ₃ ), BFO abreviado, para demonstrar o controle de crescimento de materiais compósitos ligando BFO com BiT em camadas. Durante os experimentos, eles realizaram a ablação do material no nível da subunidade celular em titanato de estrôncio (SrTiO ₃ ) substratos para controlar precisamente sua composição. Usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM), a equipe visualizou a inserção completa das camadas octaédricas adicionais entre BiO adjunto ₂ ^- camadas. Eles obtiveram imagens de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF) de filmes BiT e BiTF cultivados em substratos de titanato de estrôncio, onde os sinais brilhantes e intensos chegavam dos íons pesados ​​de bismuto (Bi) e os sinais mais fracos chegavam dos íons mais leves de titânio e ferro. Usando o método de dois alvos, Sohn et al. também sintetizou filmes finos epitaxiais de BiTF em vários substratos com diferentes direções e magnitudes de deformação.

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p Observações experimentais

p Para entender a distribuição dependente de tensão de íons Fe nos materiais em escala atômica, Sohn et al. realizou mapeamento de espectroscopia de raios-X com dispersão de energia combinado com STEM (microscopia eletrônica de transmissão de varredura) em filmes BiTF. Usando mapeamento de energia dispersiva de raios-X (EDX) atomicamente resolvido, a equipe revelou a evolução distinta do material. A excelente concordância do papel da deformação com a previsão teórica apoiou seu papel no controle da distribuição do íon Fe no filme. Os cientistas também estavam interessados ​​em entender como a inserção e o posicionamento de íons Fe no BiT afetavam as propriedades macroscópicas do filme. Para conseguir isso, eles se concentraram nas propriedades ópticas importantes para entender as estruturas eletrônicas no nível fundamental e para aplicações técnicas. Depois de inserir os blocos de BFO, os cientistas observaram a redução do bandgap. Sohn et al. também observaram a relação entre ferroeletricidade de filmes de BiTF e a distribuição catiônica de íons de ferro. Depois disso, usando microscopia de força de sonda Kelvin (cKPFM), eles examinaram as propriedades piezoelétricas dos filmes para observar a forte dependência do substrato na ferroeletricidade lateral e vertical.

p Panorama

p Desta maneira, Changhee Sohn e seus colegas demonstraram o paradigma sintético dirigido por cepas único que permitiu aos pesquisadores inserir átomos e direcioná-los de forma autônoma para uma posição cristalográfica específica da matéria. O método é diferente de métodos bem conhecidos de síntese, como engenharia de heteroestrutura convencional ou liga simples de dois materiais diferentes. O controle artificial impulsionado por deformação das posições atômicas pode impulsionar a pesquisa em ciência dos materiais e física da matéria condensada para desenvolver sistemas compostos multifuncionais. Com base neste método, Sohn et al. esperam sintetizar materiais multiferróicos e controlar seu estado fundamental magnético por meio da distribuição catiônica. p © 2021 Science X Network