15 jan 2021 (Nanowerk NieuwsIn baanbrekend materiaalonderzoek heeft een team onder leiding van professor K. Andre Mkhoyan van de Universiteit van Minnesota een ontdekking gedaan die het beste van twee gewilde kwaliteiten voor touchscreens en slimme vensters combineert: transparantie en geleidbaarheid. De onderzoekers zijn de eersten die metaallijnen in een perovskietkristal waarnemen. Perovskieten zijn overvloedig aanwezig in het centrum van de aarde, en bariumstannaat (BaSnO3) is zo'n kristal. Er is echter nog niet uitgebreid onderzoek gedaan naar de metaaleigenschappen vanwege de aanwezigheid van meer geleidende materialen op de planeet, zoals metalen of halfgeleiders. De bevinding werd gedaan met behulp van geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), een techniek die beelden kan vormen met vergrotingen tot 10 miljoen. Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap Advances (“Metaallijndefect in transparant perovskiet BaSnO met brede bandafstand3").
Met behulp van geavanceerde analytische scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) met een vergroting van 10 miljoen keer konden onderzoekers van de Universiteit van Minnesota de structuur en samenstelling van het metaallijndefect in een perovskietkristal BaSnO isoleren en in beeld brengen.3. Deze afbeelding toont de atomaire opstelling van zowel de BaSnO3 kristal (aan de linkerkant) en het metalen lijndefect. (Afbeelding: Mkhoyan Group, Universiteit van Minnesota) “De geleidende aard en voorkeursrichting van deze metaallijndefecten zorgen ervoor dat we een materiaal kunnen maken dat transparant is als glas en tegelijkertijd heel mooi directioneel geleidend is als metaal,” zei Mkhoyan, een TEM-expert en de Ray D. en Mary T. Johnson/Mayon Plastics-leerstoel bij de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen aan het College of Science and Engineering van de Universiteit van Minnesota. “Dit geeft ons het beste van twee werelden. Wij kunnen vensters of nieuwe soorten touchscreens transparant en tegelijkertijd geleidend maken. Dit is heel spannend.” Defecten, of onvolkomenheden, komen vaak voor in kristallen - en lijndefecten (de meest voorkomende daarvan is de dislocatie) zijn een rij atomen die afwijken van de normale volgorde. Omdat dislocaties dezelfde samenstelling van elementen hebben als het gastheerkristal, zijn de veranderingen in de elektronische bandstructuur bij de dislocatiekern, als gevolg van symmetriereductie en spanning, vaak slechts in geringe mate verschillend van die van de gastheer. De onderzoekers moesten buiten de dislocaties kijken om het metaallijndefect te vinden, waarbij de samenstelling van het defect en de resulterende atomaire structuur enorm verschillend zijn. “We hebben deze lijndefecten gemakkelijk opgemerkt in de hoge resolutie scanning-transmissie-elektronenmicroscopiebeelden van deze BaSnO3 dunne films vanwege hun unieke atomaire configuratie en we zagen ze alleen in het bovenaanzicht”, zegt Hwanhui Yun, een afgestudeerde student aan de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen en hoofdauteur van het onderzoek. Voor deze studie heeft BaSnO3 films werden gekweekt door middel van moleculaire bundelepitaxie (MBE) – een techniek om kristallen van hoge kwaliteit te vervaardigen – in een laboratorium aan de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota. Metaallijndefecten waargenomen in deze BaSnO3 films planten zich voort in de richting van de filmgroei, wat betekent dat onderzoekers potentieel kunnen bepalen hoe of waar lijndefecten verschijnen – en deze indien nodig kunnen engineeren in touchscreens, slimme vensters en andere toekomstige technologieën die een combinatie van transparantie en geleidbaarheid vereisen. “We moesten creatief zijn om BaSnO van hoge kwaliteit te kweken3 dunne films met behulp van MBE. Het was spannend toen deze nieuwe lijndefecten onder de microscoop aan het licht kwamen”, zegt Bharat Jalan, universitair hoofddocent en Shell-voorzitter bij de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen, die leiding geeft aan het laboratorium dat een verscheidenheid aan perovskietoxidefilms van MBE kweekt. . Perovskietkristallen (ABX3) bevatten drie elementen in de eenheidscel. Dit geeft het de vrijheid voor structurele veranderingen zoals compositie en kristalsymmetrie, en de mogelijkheid om een verscheidenheid aan defecten te herbergen. Vanwege verschillende coördinatie- en bindingshoeken van de atomen in de lijndefectkern worden nieuwe elektronische toestanden geïntroduceerd en wordt de elektronische bandstructuur lokaal op zo'n dramatische manier gewijzigd dat het lijndefect in metaal verandert. “Het was fascinerend hoe theorie en experiment hier met elkaar overeenkwamen”, zegt Turan Birol, assistent-professor bij de afdeling Scheikundige Technologie en Materiaalwetenschappen en expert in dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). "We zouden de experimentele waarnemingen van de atomaire structuur en elektronische eigenschappen van dit lijndefect kunnen verifiëren met basis-DFT-berekeningen."
Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=57034.php
