Les hétérostructures ou les matériaux stratifiés fabriqués avec des matériaux d'oxyde complexes sont une riche source de phénomènes et d'applications techniques émergents. Les scientifiques des matériaux visent à développer de nouvelles fonctionnalités de matériaux en interfaçant des pérovskites d'oxyde avec des substrats contenant des propriétés cristallographiques différentes, dans une voie largement inexplorée. Dans un nouveau rapport, Camilo X. Quintela et un groupe international en science des matériaux, physique et ingénierie aux États-Unis, Norvège, La Chine et la Corée du Sud ont proposé une direction sans précédent pour la conception de matériaux à base de cristaux d'antipérovskite nitrure et de pérovskite oxyde. Dans ce travail, ils ont superposé avec succès deux matériaux cristallins appelés pérovskites et antipérovskites ensemble, pour créer une interface avec des propriétés électriques uniques pour des applications dans une nouvelle classe de matériaux quantiques.

Lors des expérimentations, Quintela et al. développé des interfaces nettes entre le nitrure antiperovskite noté Mn 3 GaN et pérovskites d'oxyde tels que (La 0,3 Sr 0,7 )(UNE l0.65 Ta 0,35 )O 3 et titanate de strontium (SrTiO 3 ). Puis en utilisant des techniques spectroscopiques et des calculs de premiers principes, ils ont noté une fusion monocouche interfaciale cohérente entre les deux antistructures et, de manière surprenante, médiatisent l'hétérointerface antiperovskite/perovskite au-delà des prédictions théoriques. Les résultats aideront à développer de nouvelles propriétés passionnantes à l'interface pour des applications ultra-basse consommation en spintronique, comme les transistors, puces mémoire et périphériques de stockage. L'ouvrage est maintenant publié dans Avancées scientifiques .

Cristaux de pérovskite et d'antipérovskite

Les cristaux de pérovskite sont généralement des oxydes avec des ions chargés positivement et négativement avec une optique prometteuse, propriétés magnétiques et électriques. Dans les antiperovskites, le placement des ions chargés positivement et négativement est inversé pour créer une autre classe de matériaux avec des propriétés différentes de celles des pérovskites. Les matériaux antiperovskite sont des matériaux intermétalliques avec une structure cristalline de pérovskite et, tout comme leurs homologues d'oxyde pérovskite, ils présentent une variété de propriétés physiques ajustables, notamment la supraconductivité, ferromagnétisme, magnétorésistance et comportement électronique topologique. Parmi ces matériaux anti-pérovskites, composés de nitrure à base de métal de transition, noté M 3 XN, où M est égal à un métal de transition et X est égal à des éléments métalliques ou semi-conducteurs, sont particulièrement intéressants, avec une grande sensibilité aux champs magnétiques, température ou pression. De telles sensibilités de matériaux résultent de fortes caractéristiques de couplage spin-réseau de M 3 Composés XN, qui peut être réglé ou manipulé par l'ingénierie des contraintes. En outre, les scientifiques ont utilisé les propriétés physiques de l'ABO 3 les pérovskites d'oxyde comme déclencheurs externes pour régler la fonctionnalité des matériaux antipérovskites. L'ABO 3 les composés sont des systèmes de matériaux inégalés pour s'interfacer avec M 3 les antipérovskites au nitrure XN du fait de leurs structures analogues, pour favoriser la croissance épitaxiale (l'assemblage de matériaux dissemblables en un seul film). Pour explorer l'épitaxie au niveau atomique, Quintela et al. ont étudié la structure interfaciale et la chimie entre les matériaux antiperovskite nitrure et pérovskite oxyde.

Développement et caractérisation de l'interface nitrure antiperovskite/oxyde perovskite

Dans ce travail, Quintela et al. fabriqué un Mn de haute qualité 3 Film GaN sur (La 0,3 Sr 0,7 )(UNE l0.65 Ta 0,35 )O 3 (en abrégé LSAT) et les substrats monocristallins de titanate de strontium comme paradigmes de M 3 XN/ABO 3 interfaces. En utilisant la diffraction des rayons X (XRD), ils ont caractérisé structurellement le Mn de 60 nm d'épaisseur 3 Film de GaN développé sur le substrat LSAT et suivi de la croissance épitaxiale et de la structure monophasée des films à l'aide de la diffraction d'électrons à haute énergie par réflexion (RHEED). Les résultats ont montré la haute qualité cristalline du film et l'interface vierge.

Comprendre la structure et la composition chimique du Mn 3 Interface GaN/LSAT, Quintela et al. Microscopie électronique à transmission à balayage à résolution atomique (STEM) combinée avec la spectroscopie électronique de perte d'énergie (EELS) et la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS). Le premier Mn interfacial 3 La monocouche de GaN a montré un motif de taches lumineuses et sombres alternées pour indiquer une reconfiguration compositionnelle ou structurelle à l'interface. À l'aide de simulations et d'analyses chimiques structurales, l'équipe a montré des transitions du substrat LSAT au Mn 3 Film de GaN médié par une monocouche interfaciale nette. Pour déterminer la structure atomique de cette monocouche interfaciale, Quintela et al. ont effectué des études STEM et EDS supplémentaires et ont montré l'ordre des atomes dans une structure périodique bidimensionnelle (2-D) avec une symétrie de rotation.

Calculs des premiers principes

L'équipe a effectué des calculs de premier principe pour étudier la stabilité du modèle interfacial dérivé d'expériences de résolution atomique. À l'aide de simulations, ils ont calculé les énergies de formation pour tester la stabilité et ont confirmé que le modèle interfacial était énergétiquement stable. Travail supplémentaire, cependant, ont montré des divergences apparentes entre les études expérimentales et théoriques, que les scientifiques ont attribué à l'apparition de Mn 3 Croissance de GaN en présence d'une barrière énergétique, où l'écart a empêché le système de se détendre du minimum d'énergie local au minimum global. Quintela et al. approfondi cette hypothèse dans leur travail. Les études expérimentales et théoriques combinées ont montré comment la monocouche interfaciale fonctionnait comme un pont structurel entre le substrat de pérovskite et le film antipérovskite pour établir une hétéroépitaxie entre les matériaux non isostructuraux (structure cristalline différente) avec une composition chimique et une liaison différentes.

De cette façon, Camilo X. Quintela et ses collègues ont réalisé pour la première fois une structure de pontage atomiquement pointue en tant qu'interface épitaxiale entre les antiperovskites de nitrure et les pérovskites d'oxyde. Le travail constitue une étape critique pour développer une nouvelle classe d'hétérostructures épitaxiales utilisant des matériaux aux propriétés cristallochimiques différentes. Le potentiel de concevoir de nouvelles hétérointerfaces offre un terrain de jeu passionnant pour manipuler les propriétés physiques interfaciales et établir de nouveaux états de la matière. En raison du large potentiel quantique de ces matériaux, qui comprend la spintronique antiferromagnétique, la conception rationnelle d'hétérostructures épitaxiales d'antipérovskites et de pérovskites est d'une grande importance pour le réglage des propriétés et la conception de dispositifs fonctionnels. L'équipe envisage que cette stratégie ouvrira un nouveau chapitre passionnant pour la conception et l'ingénierie des matériaux.

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