Tecnologia Científica

Natureza condutiva em estruturas de cristal revelada com ampliação de 10 milhões de vezes
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.
Por Universidade de Minnesota - 16/01/2021


O professor K. Andre Mkhoyan da Universidade de Minnesota e sua equipe usaram microscopia eletrônica de transmissão de varredura analítica (STEM), que combina imagem com espectroscopia, para observar propriedades metálicas no estanato de bário de cristal de perovskita (BaSnO3). A imagem STEM de resolução atômica, com uma estrutura de cristal de BaSnO3 (à esquerda), mostra um arranjo irregular de átomos identificados como o núcleo do defeito da linha metálica. Crédito: Mkhoyan Group, 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. No entanto, ele 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 por meio de microscopia eletrônica de transmissão avançada (TEM), técnica que pode formar imagens com ampliações de até 10 milhões.

A pesquisa é publicada em Science Advances .

"A natureza condutiva e a direção preferencial desses defeitos de linha metálica significam que podemos fazer um material que é transparente como o vidro e ao mesmo tempo muito bem condutor direcional como um metal", disse Mkhoyan, um especialista em TEM e o Ray D. and 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 emocionante."

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 do deslocamento, devido à redução de simetria e tensão, geralmente são apenas 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.

"Identificamos facilmente esses defeitos de linha nas imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de alta resolução desses filmes finos de BaSnO 3 por causa de sua configuração atômica única e só os vimos na vista plana", disse Hwanhui Yun, um estudante graduado do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais e um dos principais autores do estudo.
 
Para este estudo, os filmes de BaSnO 3 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 nesses filmes BaSnO 3 se propagam ao longo da direção de crescimento do filme, o que significa que os pesquisadores podem controlar potencialmente 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.

"Tivemos que ser criativos para cultivar filmes finos de BaSnO 3 de alta qualidade 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 de Materiais, que chefia o laboratório que cultiva uma variedade de filmes de óxido de perovskita da MBE.

Cristais de perovskita (ABX 3 ) contêm 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 concordaram um com o outro aqui", disse Turan Birol, professor assistente no 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 o site da Science Advances .

 

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