3D成像技术解锁了钙钛矿晶体的特性

来自宾夕法尼亚州立大学，康奈尔大学和阿贡国家实验室的材料科学家团队首次对迄今为止解码的最复杂的钙钛矿晶体结构系统的三维原子和电子密度结构进行了可视化。钙钛矿是作为电绝缘体，半导体，金属或超导体感兴趣的矿物，取决于它们的原子和电子的排列。钙钛矿晶体具有不寻常的氧原子分组，形成八面体 - 八边形多边形。这种氧原子的排列就像一个笼子，它可以在元素周期表中容纳大量的元素原子。另外，其他原子可以在精确位置固定到笼子外面的立方体的角落，以改变材料的性质，例如将金属变成绝缘体，或者将非磁体变成铁磁体。

在他们目前的工作中，该团队在一系列其他钙钛矿晶体基质上生长了第一个被发现的钙钛矿晶体，称为钛酸钙，其表面具有相似但略有不同的氧气笼。因为顶部的薄膜钙钛矿要符合较厚基板的结构，所以它在称为倾斜外延的过程中使其笼子弯曲。研究人员发现，这种钛酸钙的倾斜外延使非常普通的材料成为铁电体 - 一种自发极化 - 并保持铁电高达900开尔文，大约比室温高三倍。他们还首次能够可视化钛酸钙薄膜中的三维电子密度分布。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与物理学教授Venkat Gopalan说：“我们已经能够看到原子很长一段时间了，但没有在三维空间中将它们和它们的电子分布在空间中。”“如果我们不仅可以看到原子核在太空中的位置，而且还可以看到它们的电子云是如何共享的，这将告诉我们基本上我们需要知道的有关材料的一切，以便推断其性质。”

五年前，当Gopalan将这个项目交给他的学生和自然传播部Yakun Yuan的一份新报告的主要作者时，这就是团队为自己设定的挑战。基于最近由以色列的一个小组开发的一种名为COBRA的极少使用的X射线可视化技术(相干布拉格棒分析)，Yuan发现了如何扩展和修改该技术以分析最复杂，最不对称的材料系统之一至今。该系统是一种应变三维钙钛矿晶体，在所有方向上具有八面体倾斜，在另一个同样复杂的晶体结构上生长。

“为了揭示原子级别的3D结构细节，我们必须使用Argonne国家实验室提供的最精彩的同步加速器X射线源收集大量数据集，并使用经过修改的COBRA分析代码仔细分析它们，以适应这种低对称性的复杂性， “袁说。Gopalan接着解释说，很少有钙钛矿氧气笼在整个材料中完全对齐。有些在一层原子中逆时针旋转，在下一层原子上顺时针旋转。一些保持架被挤出形状或在基板表面的平面内或平面外的方向上倾斜。从薄膜与基板的界面一起生长到其表面，每个原子层的结构和图案可能具有独特的变化。所有这些扭曲都会对材料属性产生影响，他们可以使用称为密度泛函理论(DFT)的计算技术进行预测。

“DFT计算的预测提供了补充实验数据的见解，并有助于解释材料特性随着钙钛矿氧笼的排列或倾斜而变化的方式，”材料科学与工程系主任兼教授Susan Sinnott表示。进行了理论计算。该团队还使用位于宾夕法尼亚州立大学材料研究所的强大Titan透射电子显微镜验证了他们先进的COBRA技术对多种材料图像的验证。由于电子显微镜在2D投影中成像极薄的电子透明样品，因此即使使用当今最好的显微镜并具有多个样品取向，也不能捕获所有3D图像。这是一个COBRA技术的三维成像在这种复杂结构中优于电子显微镜的领域。

研究人员相信他们的COBRA技术适用于许多其他3D低对称原子晶体的研究。关于“功能钙钛矿中八面体倾斜外延的三维原子尺度电子密度重建”的其他作者，Yanfu Lu，博士。Sinnott小组的学生，Gopalan的前博士后学者Greg Stone，宾夕法尼亚州立大学材料研究所的科学家Ke Wang，Darrell Schlom和他的博士。康奈尔大学的查尔斯布鲁克斯学院和阿贡国家实验室的科学家周华。美国国家科学基金会通过能源部和宾夕法尼亚州立大学2D水晶联盟，NSF材料创新平台和宾夕法尼亚州立网络科学研究所提供的额外支持为该项目提供资金。

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