Theoretisch materiaalontwerp en experimentele synthese zijn de afgelopen decennia vooruitgegaan met een sleutelrol in de ontwikkeling van functionele materialen, nuttig voor technologieën van de volgende generatie. uiteindelijk, echter, het doel van de synthesewetenschap moet nog worden bereikt om atomen in een specifieke positie van materie te lokaliseren. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Changhee Sohn en onderzoekers op het gebied van materiaalkunde en nanostructuurfysica in de VS en de Republiek Korea ontwikkelden een unieke methode om via strain engineering elementen op een specifieke kristallografische positie in een composietmateriaal te injecteren. Het team toonde een krachtige manier om spanning te gebruiken om de atomaire positie kunstmatig te manipuleren voor de synthese van nieuwe materialen en structuren. De resultaten zijn toepasbaar op een breed scala aan systemen om een ​​nieuwe route naar functionele materialen te bieden.

Spanning gebruiken om nieuwe materialen te ontwikkelen.

Epitaxiale spanning is afkomstig van de roostermismatch tussen een film en een substraat om belangrijke fysieke eigenschappen van materialen te manipuleren. Ze hebben ook een revolutie teweeggebracht in industrieën om snelle centrale computerprocessors te ontwikkelen. Ferro-elektriciteit en zijn potentieel voor geheugen met ultrahoge dichtheid tonen het belang van spanningsengineering in toekomstige technologieën. In een recente theoretische voorspelling onderzoekers stelden een niet-gerapporteerde rol van spanning voor om nieuwe materialen te ontwikkelen door individuele atomen op een plaatsspecifieke manier in een eenheidscel van materialen in te voegen en te herpositioneren. Met behulp van deze spanningsgestuurde methode, Sohn et al. gecombineerde gelaagde perovskietmaterialen zoals Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ (afgekort als BiT) en eenvoudige perovskieten met de algemene formule ABO ₃ . De BiT is een uniek ferro-elektrisch materiaal met drie octaëdrische zuurstofsublagen ingeklemd tussen twee BiO ₂ ^- lagen. In een afzonderlijke synthetische benadering, Sohn et al. vormde een composiet Bi ₅ Ti ₃ FeO ₁₂ (BiTF) op subeenheidniveau door stam en controleerde de ingevoegde ijzer (Fe) -ionen op subeenheidniveau. Tijdens de experimenten, ze gebruikten gepulste laserdepositie met twee doelen Bi ₄ Ti ₃ O ₁₂ (afgekort als BiT) en bismutferriet (BiFeO ₃ ), afgekort BFO, om de groeicontrole van composietmaterialen aan te tonen door BFO te legeren met gelaagde BiT. Tijdens de experimenten, ze ableerden het materiaal op celniveau van de subeenheid op strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ) substraten om hun samenstelling nauwkeurig te regelen. Met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM), het team visualiseerde de volledige invoeging van de extra octaëdrische lagen tussen adjunct BiO ₂ ^- lagen. Ze verkregen high-angle ringvormige donkerveld (HAADF) beelden van BiT- en BiTF-films gekweekt op strontiumtitanaatsubstraten, waar de heldere en intense signalen kwamen van zware bismut (Bi) -ionen en zwakkere signalen van de lichtere titanium- en ijzerionen. Met behulp van de twee-doelenmethode, Sohn et al. synthetiseerde ook epitaxiale dunne BiTF-films op verschillende substraten met verschillende richtingen en groottes van spanning.

Om de spanningsafhankelijke verdeling van Fe-ionen in de materialen op atomaire schaal te begrijpen, Sohn et al. uitgevoerde energie-dispersieve X-ray spectroscopie mapping gecombineerd met STEM (scanning transmissie-elektronenmicroscopie) op BiTF-films. Met behulp van atomair opgeloste energie-dispersieve X-ray (EDX) mapping, het team onthulde de duidelijke evolutie van het materiaal. De uitstekende overeenstemming van de rol van spanning met de theoretische voorspelling ondersteunde zijn rol bij het beheersen van de Fe-ionenverdeling in de film. De wetenschappers wilden ook graag begrijpen hoe het invoegen en positioneren van Fe-ionen in BiT de macroscopische eigenschappen van de film beïnvloedde. Om dit te bereiken, ze concentreerden zich eerst op de optische eigenschappen die belangrijk zijn om elektronische structuren op fundamenteel niveau en voor technische toepassingen te begrijpen. Na het inbrengen van BFO-blokken zagen de wetenschappers bandgap-reductie. Sohn et al. observeerde ook de relatie tussen ferro-elektriciteit van BiTF-films en de kationische verdeling van ijzerionen. Daarna, met behulp van Kelvin-probekrachtmicroscopie (cKPFM), ze onderzochten de piëzo-elektrische eigenschappen van de films om een ​​sterke substraatafhankelijkheid van laterale en verticale ferro-elektriciteit op te merken.

Outlook

Op deze manier, Changhee Sohn en collega's demonstreerden het unieke spanningsgestuurde synthetische paradigma waarmee onderzoekers atomen konden invoegen en autonoom naar een specifieke kristallografische positie van materie konden leiden. De methode onderscheidt zich van bekende synthesemethoden, zoals conventionele heterostructuur-engineering of het eenvoudig legeren van twee verschillende materialen. De spanningsgestuurde kunstmatige controle van atomaire posities kan het onderzoek in materiaalwetenschap en de fysica van de gecondenseerde materie stimuleren om multifunctionele composietsystemen te ontwikkelen. Op basis van deze methode, Sohn et al. verwachten multiferroïsche materialen te synthetiseren en hun magnetische grondtoestand te beheersen door middel van kationische distributie.

© 2021 Science X Network