Bij grensverleggend materiaalonderzoek een team onder leiding van professor K. Andre Mkhoyan van de Universiteit van Minnesota heeft een ontdekking gedaan die het beste van twee gewilde eigenschappen voor touchscreens en slimme vensters combineert:transparantie en geleidbaarheid.

De onderzoekers zijn de eersten die metalen lijnen in een perovskietkristal waarnemen. Perovskieten in overvloed in het centrum van de aarde, en bariumstannaat (BaSnO3) is zo'n kristal. Echter, het is niet uitgebreid onderzocht op metallische eigenschappen vanwege de prevalentie 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 wetenschappelijke vooruitgang .

"De geleidende aard en voorkeursrichting van deze metalen lijndefecten betekent dat we een materiaal kunnen maken dat transparant is als glas en tegelijkertijd heel goed directioneel geleidend is als een metaal, " zei Mkhoyan, een TEM-expert en de Ray D. en Mary T. Johnson/Mayon Plastics Chair in de afdeling Chemical Engineering and Materials Science aan de University of Minnesota's College of Science and Engineering. "Hierdoor krijgen we het beste van twee werelden. We kunnen ramen of nieuwe soorten touchscreens transparant en tegelijkertijd geleidend maken. Dat is heel spannend."

gebreken, 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 gastkristal, de veranderingen in de elektronische bandstructuur in de dislocatiekern, als gevolg van symmetrie-reductie en spanning, zijn vaak maar net iets anders dan die van de gastheer. De onderzoekers moesten buiten de dislocaties kijken om het metalen lijndefect te vinden, waar defectsamenstelling en resulterende atomaire structuur enorm verschillen.

"We zagen deze lijndefecten gemakkelijk in de scantransmissie-elektronenmicroscopiebeelden met hoge resolutie van deze BaSnO ₃ dunne films vanwege hun unieke atomaire configuratie en we zagen ze alleen in het bovenaanzicht, " zei Hwanhui Yun, een afgestudeerde student bij de afdeling Chemical Engineering and Materials Science en een hoofdauteur van de studie.

Voor deze studie is BaSnO ₃ films werden gekweekt door middel van moleculaire bundelepitaxie (MBE) - een techniek om hoogwaardige kristallen te fabriceren - in een laboratorium aan de Twin Cities van de Universiteit van Minnesota. Metaallijndefecten waargenomen in deze BaSnO ₃ films planten zich voort in de richting van de filmgroei, wat betekent dat onderzoekers mogelijk kunnen bepalen hoe of waar lijndefecten verschijnen - en ze mogelijk kunnen engineeren als dat nodig is in touchscreens, slimme ramen, en andere toekomstige technologieën die een combinatie van transparantie en geleidbaarheid vereisen.

"We moesten creatief zijn om BaSnO . van hoge kwaliteit te telen ₃ dunne films met MBE. Het was spannend toen deze nieuwe lijndefecten in de microscoop aan het licht kwamen, " zei Bharat Jalan, universitair hoofddocent en Shell-leerstoel bij de afdeling Chemical Engineering and Materials Science, die aan het hoofd staat van het laboratorium dat een verscheidenheid aan perovskietoxidefilms van MBE kweekt.

Perovskietkristallen (ABX ₃ ) bevatten drie elementen in de eenheidscel. Dit geeft het vrijheid voor structurele wijzigingen zoals compositie en kristalsymmetrie, en het vermogen om een ​​verscheidenheid aan defecten te hosten. Vanwege verschillende coördinatie- en bindingshoeken van de atomen in de kern van het lijndefect, nieuwe elektronische toestanden worden geïntroduceerd en de elektronische bandstructuur wordt lokaal op zo'n dramatische manier gewijzigd dat het lijndefect in metaal verandert.

"Het was fascinerend hoe theorie en experiment hier met elkaar overeenkwamen, " zei Turan Birol, universitair docent bij de afdeling Chemical Engineering and Materials Science en een expert in densiteitsfunctionaaltheorie (DFT). "We konden de experimentele waarnemingen van de atomaire structuur en elektronische eigenschappen van dit lijndefect verifiëren met eerste principes DFT-berekeningen."

Om het volledige onderzoeksartikel getiteld "Metallic line defect in wide-bandgap transparant perovskite BaSnO3, " bezoek de wetenschappelijke vooruitgang website.