Une équipe de scientifiques des matériaux de Penn State, Cornell et Argonne National Laboratory ont, pour la première fois, visualisé la structure de densité atomique et électronique en 3D du système de structure cristalline de pérovskite le plus complexe décodé à ce jour.

Les pérovskites sont des minéraux intéressants comme isolants électriques, semi-conducteurs, métaux ou supraconducteurs, selon la disposition de leurs atomes et de leurs électrons.

Les cristaux de pérovskite ont un groupement inhabituel d'atomes d'oxygène qui forment un octaèdre, un polygone à huit côtés. Cet arrangement d'atomes d'oxygène agit comme une cage pouvant contenir un grand nombre d'atomes élémentaires du tableau périodique. En outre, d'autres atomes peuvent être fixés aux coins d'un cube à l'extérieur de la cage à des endroits précis pour modifier les propriétés du matériau, par exemple en changeant un métal en un isolant, ou un non-aimant dans un ferroaimant.

Dans leur travail actuel, l'équipe a développé le tout premier cristal de pérovskite découvert, appelé titanate de calcium, au-dessus d'une série d'autres substrats cristallins de pérovskite avec des cages à oxygène similaires mais légèrement différentes à leurs surfaces. Parce que la pérovskite à couche mince sur le dessus veut se conformer à la structure du substrat plus épais, il contorsionne ses cages dans un processus connu sous le nom d'épitaxie d'inclinaison. Les chercheurs ont découvert que cette épitaxie inclinée du titanate de calcium faisait qu'un matériau très ordinaire devenait ferroélectrique - une polarisation spontanée - et restait ferroélectrique jusqu'à 900 Kelvin, environ trois fois plus chaud que la température ambiante. Ils ont également pu visualiser pour la première fois la distribution tridimensionnelle de la densité électronique dans un film mince de titanate de calcium.

"Nous avons pu voir des atomes pendant un certain temps, mais pas les cartographier ainsi que leur distribution électronique dans l'espace dans un cristal en trois dimensions, " dit Venkat Gopalan, professeur de science et physique des matériaux, État de Penn. "Si nous pouvons voir non seulement où se trouvent les noyaux atomiques dans l'espace, mais aussi comment leurs nuages ​​d'électrons sont partagés, qui nous dira essentiellement tout ce que nous devons savoir sur le matériau afin d'en déduire ses propriétés."

C'est le défi que s'est lancé l'équipe il y a plus de cinq ans lorsque Gopalan a confié le projet à son élève et auteur principal d'un nouveau rapport en Communication Nature , Yakun Yuan, . Basé sur une technique de visualisation aux rayons X rarement utilisée appelée COBRA, (analyse cohérente de la tige de Bragg) développée à l'origine par un groupe en Israël, Yuan a compris comment étendre et modifier la technique pour analyser l'un des plus compliqués, systèmes matériels les moins symétriques étudiés à ce jour. Ce système est un cristal de pérovskite tridimensionnel tendu avec des inclinaisons octaédriques dans toutes les directions, développé sur une autre structure cristalline tout aussi complexe.

"Pour révéler des détails structurels en 3D au niveau atomique, nous avons dû collecter de vastes ensembles de données en utilisant la source de rayons X synchrotron la plus brillante disponible à Argonne National Labs et les analyser soigneusement avec le code d'analyse COBRA modifié pour tenir compte de la complexité d'une si faible symétrie, " dit Yuan.

Gopalan a poursuivi en expliquant que très peu de cages à oxygène en pérovskite sont parfaitement alignées dans tout le matériau. Certains tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans une couche d'atomes et dans le sens des aiguilles d'une montre dans la suivante. Certaines cages sont déformées ou inclinées dans des directions qui sont dans ou hors du plan de la surface du substrat. A partir de l'interface d'un film avec le substrat sur lequel il est développé, jusqu'à sa surface, chaque couche atomique peut avoir des changements uniques dans sa structure et son motif. Toutes ces distorsions font une différence dans les propriétés du matériau, qu'ils peuvent prédire à l'aide d'une technique de calcul appelée théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).

"Les prédictions des calculs DFT fournissent des informations qui complètent les données expérimentales et aident à expliquer la façon dont les propriétés des matériaux changent avec l'alignement ou l'inclinaison des cages à oxygène en pérovskite, " a déclaré Susan Sinnott, directeur et professeur de science et génie des matériaux, dont le groupe a effectué les calculs théoriques.

L'équipe a également validé leur technique COBRA avancée contre plusieurs images de leur matériau à l'aide du puissant microscope électronique à transmission Titan du Materials Research Institute de Penn State. Étant donné que les microscopes électroniques imagent des échantillons transparents aux électrons extrêmement minces dans une projection 2D, toutes les images 3D n'ont pas pu être capturées, même avec le meilleur microscope disponible aujourd'hui et avec plusieurs orientations d'échantillon. C'est un domaine où l'imagerie tridimensionnelle par la technique COBRA a surpassé la microscopie électronique dans des structures aussi complexes.

Les chercheurs pensent que leur technique COBRA est applicable à l'étude de nombreux autres 3D, cristaux atomiques de faible symétrie.