Dans la recherche de matériaux de pointe, une équipe dirigée par le professeur K. Andre Mkhoyan de l'Université du Minnesota a fait une découverte qui allie le meilleur de deux qualités recherchées pour les écrans tactiles et les fenêtres intelligentes :la transparence et la conductivité.

Les chercheurs sont les premiers à observer des lignes métalliques dans un cristal de pérovskite. Les pérovskites abondent au centre de la Terre, et le stannate de baryum (BaSnO3) est l'un de ces cristaux. Cependant, il n'a pas été étudié de manière approfondie pour les propriétés métalliques en raison de la prévalence de matériaux plus conducteurs sur la planète comme les métaux ou les semi-conducteurs. La découverte a été faite en utilisant la microscopie électronique à transmission avancée (MET), une technique qui peut former des images avec des grossissements allant jusqu'à 10 millions.

La recherche est publiée dans Avancées scientifiques .

"La nature conductrice et la direction préférentielle de ces défauts de lignes métalliques nous permettent de fabriquer un matériau transparent comme le verre et en même temps très joliment conducteur directionnel comme un métal, " dit Mkhoyan, un expert en MET et la chaire Ray D. et Mary T. Johnson/Mayon Plastics du département de génie chimique et de science des matériaux du College of Science and Engineering de l'Université du Minnesota. "Cela nous donne le meilleur de deux mondes. Nous pouvons rendre les fenêtres ou de nouveaux types d'écrans tactiles transparents et en même temps conducteurs. C'est très excitant."

Défauts, ou imperfections, sont courants dans les cristaux - et les défauts de ligne (le plus courant d'entre eux est la dislocation) sont une rangée d'atomes qui s'écartent de l'ordre normal. Parce que les dislocations ont la même composition d'éléments que le cristal hôte, les changements de structure de bande électronique au cœur de la dislocation, en raison de la réduction de la symétrie et de la déformation, ne sont souvent que légèrement différentes de celles de l'hôte. Les chercheurs ont dû regarder à l'extérieur des dislocations pour trouver le défaut de la ligne métallique, où la composition des défauts et la structure atomique résultante sont très différentes.

"Nous avons facilement repéré ces défauts de ligne dans les images de microscopie électronique à transmission à balayage haute résolution de ces BaSnO 3 films minces en raison de leur configuration atomique unique et nous ne les avons vus que dans la vue en plan, " a déclaré Hwanhui Yun, un étudiant diplômé du Département de génie chimique et de science des matériaux et un auteur principal de l'étude.

Pour cette étude, BaSnO 3 les films ont été cultivés par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) - une technique permettant de fabriquer des cristaux de haute qualité - dans un laboratoire de l'Université du Minnesota Twin Cities. Défauts de lignes métalliques observés dans ces BaSnO 3 les films se propagent le long de la direction de croissance du film, ce qui signifie que les chercheurs peuvent potentiellement contrôler comment et où les défauts de ligne apparaissent - et potentiellement les concevoir selon les besoins dans les écrans tactiles, fenêtres intelligentes, et d'autres technologies futures qui exigent une combinaison de transparence et de conductivité.

"Nous avons dû faire preuve de créativité pour développer un BaSnO de haute qualité 3 films minces utilisant MBE. C'était excitant quand ces nouveaux défauts de ligne sont apparus au microscope, " dit Bharat Jalan, professeur agrégé et titulaire de la chaire Shell au Département de génie chimique et de science des matériaux, qui dirige le laboratoire qui cultive une variété de films d'oxyde de pérovskite par MBE.

Cristaux de pérovskite (ABX 3 ) contiennent trois éléments dans la cellule unitaire. Cela lui donne une liberté pour les altérations structurelles telles que la composition et la symétrie cristalline, et la capacité d'héberger une variété de défauts. En raison des différents angles de coordination et de liaison des atomes dans le noyau du défaut de ligne, de nouveaux états électroniques sont introduits et la structure de la bande électronique est modifiée localement d'une manière si dramatique qu'elle transforme le défaut de ligne en métal.

"C'était fascinant de voir comment la théorie et l'expérience s'accordaient ici, " dit Turan Birol, professeur adjoint au Département de génie chimique et science des matériaux et expert en théorie fonctionnelle de la densité (DFT). « Nous avons pu vérifier les observations expérimentales de la structure atomique et des propriétés électroniques de ce défaut de ligne avec les premiers calculs DFT. »

Pour lire l'article de recherche complet intitulé "Metallic line defect in wide-bandgap transparent perovskite BaSnO3, " visiter le Avancées scientifiques site Internet.