千万倍放大显示晶体结构的导电性

诸平

据美国明尼苏达大学（University of Minnesota）2021年1月15日提供的消息，该大学教授K. Andre Mkhoyan领导的团队，在开创性的材料研究中做出了一项发现，该发现融合了触摸屏和智能窗户两种广受欢迎的品质中的最佳品质-透明性和导电性。相关研究人员也是钙钛矿晶体（perovskite crystal）中金属线条的第一观察人。钙钛矿遍布地球中心，而锡酸钡（BaSnO₃）就是这样的一种晶体。但是，由于在地球上金属或半导体导电性更高的材料存在的普遍性，因此尚未对金属性能进行过广泛的研究。这项发现是使用先进的透射电子显微镜（transmission electron microscopy简称TEM）进行的，该技术可以形成放大率高达1000万的图像。相关研究结果已经在《科学进展》（Science Advances）上发表——Hwanhui Yun, Mehmet Topsakal, Abhinav Prakash, Bharat Jalan, Jong Seok Jeong, Turan Birol, K. Andre Mkhoyan. Metallic line defect in wide-bandgap transparent perovskite BaSnO₃. Science Advances, 15 Jan 2021; Vol. 7, no. 3, eabd4449. DOI: 10.1126/sciadv.abd4449.

参与此项研究的除了美国明尼苏达大学（University of Minnesota）化工与材料科学系的研究人员之外，还有来自美国布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心核科学技术部（Nuclear Science and Technology Department, Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory）、芝加哥大学普利兹克分子工程学院（Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago）、美国阿贡国家实验室纳米材料中心（Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory）以及韩国大田LG化学有限公司（LG Chem Ltd., Daejeon, Republic of Korea）分析科学中心的研究人员。 

透射电镜专家K. Andre Mkhoyan说：“这些金属线缺陷的导电性质和优先方向意味着我们可以制造像玻璃一样透明的材料，同时又可以像金属一样很好地定向导电。” “这给了我们两个世界中最好的东西。我们可以使窗口或新型触摸屏透明且同时具有导电性。这非常令人兴奋。”

缺陷或瑕疵（Defects, or imperfections）在晶体中很常见-线缺陷（其中最常见的是位错）是一排偏离正常排序的原子。由于位错与主体晶体具有相同的元素组成，故因对称性降低和应变，位错核心处电子带结构的变化通常仅与主体的变化略有不同。研究人员需要在位错的外部寻找金属线缺陷，其中缺陷的成分和产生的原子结构有很大的不同。

“由于这些BaSnO₃薄膜具有独特的原子构型，我们可以在高分辨率扫描透射电子显微镜图像中轻易地发现这些线缺陷，因为只能在平面图中看到它们，”明尼苏达大学化学工程与材料科学系研究生、也是该研究的第一作者Hwanhui Yun说。

在这项研究中，BaSnO₃薄膜是在明尼苏达州双城大学（University of Minnesota Twin Cities）的实验室中通过分子束外延（molecular beam epitaxy简称MBE）生长的，MBE是一种制造高质量晶体的技术。在这些BaSnO₃薄膜中观察到的金属线缺陷会沿着膜的生长方向传播，这意味着研究人员可以潜在地控制线缺陷的出现方式或位置-并可以根据需要在透明性和导电性兼备的触摸屏、智能窗户以及其他需要未来技术中对其进行工程设计。

化学工程与材料学系副教授巴拉特·贾兰（Bharat Jalan）说：“我们必须创造性地使用MBE来生长高质量的BaSnO₃薄膜。当这些新的线缺陷在显微镜下出现时，这真是令人兴奋。”

巴拉特·贾兰领导的实验室用MBE培育了各种钙钛矿氧化物薄膜。

钙钛矿晶体（Perovskite crystals，ABX3）在晶胞中包含三种元素。

这给了它结构改变的自由，比如成分和晶体对称性，以及产生各种缺陷的能力。由于线缺陷核内原子的配位和成键角度不同，因此引入了新的电子态，并在局部戏剧性地修改了电子能带结构，从而将线缺陷变成了金属。

化学工程与材料科学系助理教授、密度泛函理论(DFT)专家Turan Birol表示:“理论与实验在这里是如此一致，这令人着迷。”“我们可以用第一性原理DFT计算来验证这种线缺陷的原子结构和电子性质的实验观察结果。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

A line defect with metallic characteristics has been found in optically transparent BaSnO3 perovskite thin films. The distinct atomic structure of the defect core, composed of Sn and O atoms, was visualized by atomic-resolution scanning transmission electron microscopy (STEM). When doped with La, dopants that replace Ba atoms preferentially segregate to specific crystallographic sites adjacent to the line defect. The electronic structure of the line defect probed in STEM with electron energy-loss spectroscopy was supported by ab initio theory, which indicates the presence of Fermi level–crossing electronic bands that originate from defect core atoms. These metallic line defects also act as electron sinks attracting additional negative charges in these wide-bandgap BaSnO3 films.