Elektron mikroskobu araştırması katı maddenin yeni yapısını keşfediyor
Çin Bilimler Akademisi Metal Araştırma Enstitüsü'nde araştırmacı olan Chen Chunlin, Tokyo Üniversitesi'nde profesör olan Yuichi Ikuhara ve Chongqing Üniversitesi'nde doçent olan Yin Deqiang ile birlikte yeni bir tek boyutlu düzenli yapı keşfetti (veya Tek boyutlu sıralı kristaller denir).
Mikro yapılarının simetrisine göre katı madde üç kategoriye ayrılabilir: kristal, yarı kristal ve amorf. Kristalin dönme simetrisi ve öteleme simetrisi vardır ve atomları üç boyutlu uzayda düzenli ve tekrar tekrar düzenlenmiştir. Yarı kristallerin dönme simetrisi vardır, ancak öteleme simetrileri yoktur. Yarı kristallerin atomik düzeni uzun menzilli bir düzene sahiptir, ancak üç boyutlu öteleme periyodikliğine sahip değildir. Amorf kristallerin dönme simetrisi ve öteleme simetrisi yoktur ve atomik düzenlemeleri uzun menzilli sıraya sahip değildir. Yukarıdakiler, yarı kristallerin keşfinden sonra katı maddenin yapısının genel anlayışıdır.
Chen Chunlin ve diğerleri, MgO ve Nd2O3 ince film malzemelerindeki tek boyutlu sıralı kristalleri keşfetmek için birinci prensip teorik hesaplamalarla birlikte taramalı transmisyon elektron mikroskobu kullandılar ve bu da insanların katı maddenin yapısına ilişkin anlayışını güncelledi. Yapı, kristalin yalnızca bir yönde öteleme simetrisini ve periyodikliğini korur ve atomları diğer yönlerde düzensiz görünerek tek boyutlu öteleme periyodikliği ile uzun menzilli düzenli bir yapı oluşturur. Tek boyutlu sıralı bir kristali oluşturan yapısal birimlerin atomik düzenlemesi, çok bölgeli kafesin tane sınırını eğdiği yapısal birimlere çok benzer. Çalışmalar, MgO kristallerinin 7,4 eV enerji boşluğuna sahip yalıtkanlar olmasına rağmen, MgO tek boyutlu sıralı kristallerin 3,2 eV enerji boşluğuna sahip geniş bant yarı iletkenler olduğunu göstermiştir. Tek boyutlu sıralı kristallerin keşfi, katı madde yapı türlerinin insanların mevcut bilgilerinden daha bol olduğunu ve yeni yapıların fiziksel özelliklerinin karşılık gelen ortak yapı türlerinden önemli ölçüde farklı olduğunu göstermektedir.
Bu araştırma, Çin Bilimler Akademisi'nin Anahtar Sınır Bilim Araştırma Projesi, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve Ulusal Bin Genç Yetenek Programı tarafından finanse edildi. İlgili sonuçlar 10 Aralık'ta Nature Materials'da çevrimiçi olarak yayınlandı.
Şekil 1 Tek boyutlu sıralı bir kristalin atomik yapısının şematik diyagramı. Tek boyutlu sıralı MgO kristalleri, MgO tane sınırı yapısal birimlerinden oluşabilir.
Şekil 2 Trifürkat tanecik sınır bölgesinde oluşan tek boyutlu sıralı MgO kristalinin ABF STEM görüntüsü (bkz. Bölgeler I ve II). MgO tek boyutlu sıralı kristal, birçok altıgen yapısal birimden oluşur (renkli gölgelendirme ile gösterilmiştir) ve atomik düzeni, MgO5 (210) tane sınırı yapısal birimine benzer.
Şekil 3 MgO tek boyutlu sıralı kristalin atomik ve elektronik yapısını belirlemek için DFT teorik hesaplama ve STEM-EELS analizi. MgO kristalleri 7,4 eV enerji boşluğuna sahip yalıtkanlardır, MgO tek boyutlu sıralı kristaller ise 3,2 eV enerji boşluğuna sahip geniş bant yarı iletkenlerdir.
Şekil 4 Nd2O3 ince film malzemelerindeki tek boyutlu sıralı kristaller. Tek boyutlu sıralı Nd2O3 kristali birçok altıgen yapısal birimden oluşur (renkli gölgelendirme ile gösterilmiştir) ve atomik düzeni Nd2O39 (221) ile aynıdır.
