La conception de matériaux théoriques et la synthèse expérimentale ont progressé au cours des dernières décennies avec un rôle clé dans le développement de matériaux fonctionnels, utile pour les technologies de prochaine génération. Finalement, cependant, le but de la science de synthèse reste à atteindre afin de localiser les atomes dans une position spécifique de la matière. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Changhee Sohn et des chercheurs en science des matériaux et en physique des nanostructures aux États-Unis et en République de Corée ont développé une méthode unique pour injecter des éléments dans une position cristallographique spécifique dans un matériau composite via l'ingénierie des contraintes. L'équipe a montré un moyen puissant d'utiliser la contrainte pour manipuler artificiellement la position atomique pour la synthèse de nouveaux matériaux et structures. Les résultats sont applicables à un large éventail de systèmes pour fournir une nouvelle voie vers des matériaux fonctionnels.

Utiliser la contrainte pour développer de nouveaux matériaux.

La contrainte épitaxiale provient du décalage de réseau entre un film et un substrat pour manipuler d'importantes propriétés physiques des matériaux. Ils ont également révolutionné les industries pour développer des processeurs informatiques centraux rapides. La ferroélectricité et son potentiel pour la mémoire à ultra haute densité montre l'importance de l'ingénierie des contraintes dans les technologies futures. Dans une prédiction théorique récente, les chercheurs ont proposé un rôle non rapporté de la contrainte pour développer de nouveaux matériaux en insérant et en repositionnant des atomes individuels d'une manière spécifique au site dans une cellule unitaire de matériaux. En utilisant cette méthode basée sur les contraintes, Sohn et al. matériaux de pérovskite en couches combinés tels que Bi 4 Ti 3 O 12 (en abrégé BiT) et des pérovskites simples de formule générale ABO 3 . Le BiT est un matériau ferroélectrique unique avec trois sous-couches octaédriques d'oxygène prises en sandwich entre deux BiO 2 ^- couches. Dans une approche synthétique distincte, Sohn et al. formé un composite Bi 5 Ti 3 FeO 12 (BiTF) au niveau de la sous-unité par déformation et a contrôlé les ions de fer (Fe) insérés au niveau de la sous-unité. Lors des expérimentations, ils ont utilisé le dépôt laser pulsé avec deux cibles Bi 4 Ti 3 O 12 (en abrégé BiT) et de la ferrite de bismuth (BiFeO 3 ), en abrégé BFO, démontrer le contrôle de la croissance des matériaux composites en alliant du BFO avec du BiT en couches. Lors des expérimentations, ils ont fait l'ablation du matériel au niveau des cellules sous-unitaires sur du titanate de strontium (SrTiO 3 ) substrats pour contrôler précisément leur composition. En utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), l'équipe a visualisé l'insertion complète des couches octaédriques supplémentaires entre l'adjonction de BiO 2 ^- couches. Ils ont obtenu des images à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF) de films BiT et BiTF cultivés sur des substrats de titanate de strontium, où les signaux lumineux et intenses provenaient des ions bismuth lourds (Bi) et les signaux plus faibles provenaient des ions plus légers de titane et de fer. En utilisant la méthode à deux cibles, Sohn et al. ont également synthétisé des films minces de BiTF épitaxiés sur divers substrats avec différentes directions et amplitudes de déformation.

Pour comprendre la distribution dépendante de la déformation des ions Fe dans les matériaux à l'échelle atomique, Sohn et al. a réalisé une cartographie par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie combinée avec STEM (microscopie électronique à transmission à balayage) sur des films BiTF. En utilisant la cartographie des rayons X à dispersion d'énergie (EDX) résolue atomiquement, l'équipe a révélé l'évolution distincte du matériau. L'excellent accord du rôle de la contrainte avec la prédiction théorique a soutenu son rôle dans le contrôle de la distribution des ions Fe dans le film. Les scientifiques souhaitaient également comprendre comment l'insertion et le positionnement des ions Fe dans le BiT affectaient les propriétés macroscopiques du film. Pour y parvenir, ils se sont d'abord concentrés sur les propriétés optiques importantes pour comprendre les structures électroniques au niveau fondamental et pour les applications techniques. Après avoir inséré des blocs BFO, les scientifiques ont observé une réduction de la bande interdite. Sohn et al. ont également observé la relation entre la ferroélectricité des films BiTF et la distribution cationique des ions fer. Après, en utilisant la microscopie à force de sonde Kelvin (cKPFM), ils ont examiné les propriétés piézoélectriques des films pour noter une forte dépendance du substrat vis-à-vis de la ferroélectricité latérale et verticale.

Perspectives

De cette façon, Changhee Sohn et ses collègues ont démontré le paradigme synthétique unique basé sur la contrainte qui a permis aux chercheurs d'insérer des atomes et de les diriger de manière autonome vers une position cristallographique spécifique de la matière. La méthode est distincte des méthodes de synthèse bien connues telles que l'ingénierie conventionnelle des hétérostructures ou l'alliage simple de deux matériaux différents. Le contrôle artificiel des positions atomiques par contrainte peut stimuler la recherche en science des matériaux et en physique de la matière condensée pour développer des systèmes composites multifonctionnels. Sur la base de cette méthode, Sohn et al. s'attendre à synthétiser des matériaux multiferroïques et contrôler leur état magnétique fondamental par distribution cationique.

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