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10万倍の倍率で明らかにされた結晶構造の導電性:ミネソタ大学の研究は、電気を伝導する新しい透明材料の可能性を切り開きます

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ミネソタ大学のK.Andre Mkhoyan教授と彼のチームは、イメージングと分光法を組み合わせた分析走査透過電子顕微鏡(STEM)を使用して、ペロブスカイト結晶スズ酸バリウム(BaSnO3)の金属特性を観察しました。 BaSnO3結晶構造(左側)の原子分解能STEM画像は、金属線欠陥コアとして識別される原子の不規則な配置を示しています。 ミネソタ大学クレジットMkhoyanグループ
ミネソタ大学のK.Andre Mkhoyan教授と彼のチームは、イメージングと分光法を組み合わせた分析走査透過電子顕微鏡(STEM)を使用して、ペロブスカイト結晶スズ酸バリウム(BaSnO3)の金属特性を観察しました。 BaSnO3結晶構造(左側)の原子分解能STEM画像は、金属線欠陥コアとして識別される原子の不規則な配置を示しています。 クレジット
ミネソタ大学Mkhoyanグループ

要約:
画期的な材料研究において、ミネソタ大学のK. Andre Mkhoyan教授が率いるチームは、タッチスクリーンとスマートウィンドウに求められるXNUMXつの品質、つまり透明性と導電性の長所を融合させた発見をしました。

10万倍の倍率で明らかにされた結晶構造の導電性:ミネソタ大学の研究は、電気を伝導する新しい透明材料の可能性を切り開きます


ミネソタ州ツインシティーズ| 15年2021月XNUMX日に投稿

研究者たちは、ペロブスカイト結晶の金属線を最初に観察しました。 ペロブスカイトは地球の中心にたくさんあり、スズ酸バリウム(BaSnO3)はそのような結晶の10つです。 しかし、金属や半導体のような地球上でより導電性の高い材料が普及しているため、金属の特性については広く研究されていません。 この発見は、最大XNUMX万倍の倍率で画像を形成できる技術である高度な透過型電子顕微鏡(TEM)を使用して行われました。

この研究は、米国科学振興協会(AAAS)が発行する査読付き科学ジャーナルであるScienceAdvancesに掲載されています。

「これらの金属線欠陥の導電性と優先方向は、ガラスのように透明であると同時に、金属のように非常に良好な方向導電性の材料を作ることができることを意味します」と、TEMの専門家でレイD.とメアリーのMkhoyanは述べています。ミネソタ大学理工学部の化学工学および材料科学科のT.ジョンソン/マヨンプラスチックスチェア。 「これにより、XNUMXつの世界の長所が得られます。 窓や新しいタイプのタッチスクリーンを透明にすると同時に導電性にすることができます。 これはとてもエキサイティングです。」

欠陥、または欠陥は、結晶で一般的です–そして線欠陥(それらの中で最も一般的なのは転位です)は、通常の順序から逸脱する原子の列です。 転位はホスト結晶と同じ元素組成を持っているため、対称性の低下と歪みによる転位コアの電子バンド構造の変化は、多くの場合、ホストのそれとわずかに異なるだけです。 研究者たちは、欠陥の組成と結果として生じる原子構造が大きく異なる金属線欠陥を見つけるために、転位の外側を見る必要がありました。

「これらのBaSnO3薄膜の高解像度走査透過電子顕微鏡画像では、原子配置が独特であるため、これらの線欠陥を簡単に見つけることができました。平面図でしか見られませんでした」と、学科の大学院生であるHwanhuiYun氏は述べています。化学工学および材料科学および研究の筆頭著者。

この研究では、ミネソタ大学ツインシティーズの研究室で、分子線エピタキシー(MBE)(高品質の結晶を製造する技術)によってBaSnO3膜を成長させました。 これらのBaSnO3膜で観察された金属線欠陥は、膜の成長方向に沿って伝播します。つまり、研究者は線欠陥が現れる方法や場所を制御できる可能性があり、タッチスクリーン、スマートウィンドウ、および透明性と導電率。

「MBEを使用して高品質のBaSnO3薄膜を成長させるには、創造性が必要でした。 これらの新しい線の欠陥が顕微鏡で明らかになったとき、それはエキサイティングでした」と、MBEによってさまざまなペロブスカイト酸化物膜を成長させる研究室を率いる化学工学および材料科学部門の准教授兼シェルチェアであるBharatJalanは述べています。 。

ペロブスカイト結晶(ABX3)には、ユニットセルにXNUMXつの元素が含まれています。 これにより、組成や結晶対称性などの構造変化の自由が得られ、さまざまな欠陥をホストすることができます。 線欠陥コア内の原子の配位角と結合角が異なるため、新しい電子状態が導入され、電子バンド構造が局所的に変更されて、線欠陥が金属に変わります。

「ここで理論と実験がどのように一致したかは魅力的でした」と、化学工学および材料科学部門の助教授で密度汎関数理論(DFT)の専門家であるTuranBirol氏は述べています。 「第一原理DFT計算により、この線欠陥の原子構造と電子特性の実験的観察を検証することができました。」

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研究チームのメンバーには、ミネソタ大学博士号が含まれます。 学生およびポスドク研究員のHwanhuiYun、Mehmet Topsakal(現在はブルックヘブン国立研究所の準科学者)、およびAbhinav Prakash(ポスドク研究員のアルゴンヌ国立研究所)。 ミネソタ大学の教員であるK.Andre Mkhoyan、Bharat Jalan、Turan Birol、およびJong SeokJeong。

この研究は、米国国立標準技術研究所が後援する半導体研究公社プログラムであるnCOREのXNUMXつのセンターのXNUMXつであるSMARTと、ミネソタ大学材料研究科学工学を通じた国立科学財団(NSF)によって部分的にサポートされました。センター(MRSEC)。 チームは、ミネソタ大学の特性評価施設とも協力しました。 MBEの成長作業は、NSFと空軍科学研究局によって部分的にサポートされていました。

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