Используя передовую аналитическую просвечивающую электронную микроскопию (STEM) с увеличением в 10 миллионов раз, исследователи из Университета Миннесоты смогли выделить и отобразить структуру и состав металлического дефекта в виде линии в кристалле перовскита BaSnO₃. Это поможет изобрести более инновационные сенсорные экраны и умные окна с максимальной прозрачностью и проводимостью.

Исследование опубликовано в Science Advances.

Исследователи впервые пронаблюдали металлические линии в кристалле перовскита. Перовскиты изобилуют в центре Земли, и станнат бария (BaSnO₃) является одним из таких кристаллов. Однако его металлические свойства не изучались широко из-за преобладания на планете более проводящих материалов, таких как металлы или полупроводники. Открытие было сделано с помощью передовой просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) — метода, который позволяет формировать изображения с увеличением до 10 миллионов.

«Электропроводная природа и предпочтительное направление этих металлических линейных дефектов означает, что мы можем сделать материал, который будет прозрачным, как стекло, и в то же время очень хорошо проводящим по направлению, как металл. Теперь мы можем сделать окна или новые типы сенсорных экранов прозрачными и в то же время проводящими», – К. Андре Мхоян, кафедра химической инженерии и материаловедения, Миннесотский университет.

Дефекты являются обычным явлением в кристаллах, а линейные дефекты (наиболее распространенным среди них является дислокация) представляют собой ряд атомов, которые отклоняются от нормального порядка. Поскольку дислокации имеют тот же состав элементов, что и основной кристалл, изменения в электронной зонной структуре в ядре дислокации из-за снижения симметрии и деформации часто лишь незначительно отличаются. Исследователям нужно было посмотреть за пределы дислокаций, чтобы найти дефект металлической линии, где состав дефекта и результирующая атомная структура сильно различаются.

Используя передовую аналитическую просвечивающую электронную микроскопию (STEM) с увеличением в 10 миллионов раз, исследователи из Университета Миннесоты смогли выделить и отобразить структуру и состав металлического дефекта в виде линии в кристалле перовскита BaSnO₃.

«Мы легко заметили эти линейные дефекты на изображениях тонких пленок BaSnO₃, полученных с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, из-за их уникальной атомной конфигурации, и мы видели их только на виде сверху», – Хванхуэй Юн, аспирант кафедры химического машиностроения и материаловедения.

Для этого исследования пленки BaSnO₃ были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии — методики изготовления высококачественных кристаллов — в лаборатории Университета Миннесоты. Металлические линейные дефекты, наблюдаемые в этих пленках BaSnO₃, распространяются в направлении роста пленки, что означает, что исследователи потенциально могут контролировать, как и где появляются линейные дефекты, и потенциально проектировать их по мере необходимости в сенсорных экранах, интеллектуальных окнах и других технологиях будущего, требующих сочетания прозрачности и проводимости.

Кристаллы перовскита содержат три элемента в элементарной ячейке. Это дает ему свободу для структурных изменений, таких как состав и симметрия кристалла, а также возможность удерживать различные дефекты. Из-за различных углов координации и связи атомов в ядре дефекта линии вводятся новые электронные состояния, а структура электронной зоны локально модифицируется настолько радикально, что превращает дефект линии в металл.