У новаторських дослідженнях матеріалів група вчених Міннесотського університету зробила відкриття, що поєднує в собі найкраще з двох затребуваних якостей сенсорних екранів і розумних вікон - прозорості та провідності.
Дослідники вперше спостерігають металеві лінії в кристалі перовскіту. Перовскіти рясніють у центрі Землі, і станнат барія (BaSnO3) є одним з таких кристалів. Однак його металеві властивості не вивчалися широко через переважання на планеті більш провідних матеріалів, таких як метали або напівпровідники.
Відкриття було зроблено за допомогою передової просвічувальної електронної мікроскопії (ПЕМ), методу, який дозволяє формувати зображення зі збільшенням до 10 мільйонів.
«Електропровідна природа і кращий напрямок цих металевих лінійних дефектів означає, що ми можемо зробити матеріал, який буде прозорим, як скло, і в той же час дуже добре проводить за напрямом, як метал», - кажуть дослідники.
"Це дає нам найкраще з двох світів. Ми можемо зробити вікна або нові типи сенсорних екранів прозорими і в той же час провідними. Це дуже захоплююче ".
Дефекти є звичайним явищем в кристалах, а лінійні дефекти (найбільш поширеним серед них є дислокація) являють собою ряд атомів, які відхиляються від нормального порядку.
Оскільки дислокації мають той самий склад елементів, що й основний кристал, зміни в електронній зонній структурі в ядрі дислокації через зниження симетрії та деформації часто лише незначно відрізняються від основної. Дослідникам потрібно було подивитися за межі дислокацій, щоб знайти дефект металевої лінії, де склад дефекту і результуюча атомна структура сильно розрізняються.
Для цього дослідження плівки BaSnO3 були вирощені методом молекулярно-променевої епітаксії (МЛЕ) - методики виготовлення високоякісних кристалів. Металеві лінійні дефекти, що спостерігаються в цих плівках BaSnO3, поширюються уздовж напрямку зростання плівки, що означає, що дослідники потенційно можуть контролювати, як і де з'являються лінійні дефекти, і потенційно проектувати їх у міру необхідності в сенсорних екранах, інтелектуальних вікнах та інших технологіях майбутнього, що вимагають поєднання прозорості і провідність.
Кристали перовскіту (ABX3) містять три елементи в елементарній комірці. Це дає йому свободу для структурних змін, таких як склад і симетрія кристала, а також можливість утримувати різні дефекти. Через різні кути координації та зв'язки атомів у ядрі дефекту лінії вводяться нові електронні стани, і структура електронної зони локально модифікується настільки радикально, що перетворює дефект лінії на метал.
«Було вражаюче, як теорія і експеримент тут узгоджувалися один з одним», - сказав Туран Бірол, доцент кафедри хімічного машинобудування і матеріалознавства та експерт з теорії функціоналу щільності (DFT). «Ми могли перевірити експериментальні спостереження атомної структури та електронних властивостей цього дефекту лінії за допомогою перших принципів DFT розрахунків».
Дослідження опубліковано в Science Advances.