Neue Nickelat-Phase zeigt einzigartige elektronische Eigenschaften

Wissenschaftler arbeiten ständig daran, neue Materialien mit interessanten Eigenschaften zu entwickeln. Ein Schwerpunkt liegt auf Übergangsmetalloxiden (TMOs), die unterschiedliche Verhaltensweisen zeigen, je nach ihrer Struktur und den enthaltenen Elementen. Indem sie diese Faktoren verändern, können Forscher Materialien mit verschiedenen elektronischen Eigenschaften herstellen. Diese Veränderungen können zu Effekten wie Supraleitung führen, bei der Materialien bei sehr niedrigen Temperaturen Strom ohne Widerstand leiten können.

Nickeloxide, ein wichtiger Teil dieser Forschung, weisen eine breite Palette von Strukturen und Eigenschaften auf. Seltene Erden-Nickelate, bekannt als RNiO, zeigen viele interessante Übergänge, wie den Wechsel von Metallen zu Isolatoren. Durch Anpassung der Zusammensetzung dieser Materialien können Wissenschaftler neue Phasen mit einzigartigen Eigenschaften schaffen.

#Nickeloxide und ihre Eigenschaften

Nickelate haben verschiedene Strukturen und können je nach ihrer Anordnung unterschiedlich reagieren. Zum Beispiel bestehen seltene Erden-Nickelate aus einem Nickelatom, das von Sauerstoff und einem seltenen Erdelement umgeben ist. Diese Nickelate haben eine reiche Vielfalt an Phasenübergängen, die von ihrer Zusammensetzung abhängen.

Wenn Forscher den Sauerstoffgehalt oder andere Elemente ändern, können sie Materialien erzeugen, die als Isolatoren oder Leiter fungieren, was für verschiedene Anwendungen, einschliesslich Elektronik und Energiespeicherung, nützlich sein kann. Nickelate können auch so modifiziert werden, dass sie Supraleitung aufweisen, durch einen Prozess namens Hole-Dopierung.

#Schaffung neuer Materialien

Eine der neuesten Methoden zur Herstellung neuer Nickelate ist eine Technik namens topochemische Reduktion. Diese Methode ermöglicht es Wissenschaftlern, Sauerstoff aus einem Nickelatematerial zu entfernen und eine neue Phase mit einzigartigen Eigenschaften zu schaffen.

In einer aktuellen Studie haben Forscher erfolgreich einen Nickelaten namens SmNiO reduziert, um ein neues Material zu erzeugen, das als Sm Ni O identifiziert wurde. Diese neue Phase zeigt einzigartige Strukturen und elektronisches Verhalten, die im ursprünglichen Material nicht zugänglich waren. Der Prozess umfasst chemische Reaktionen, die es ermöglichen, Sauerstoff aus der Struktur zu entfernen oder wieder hinzuzufügen.

#Die neue Nickelat-Phase

Die neue Phase, Sm Ni O, hat eine spezifische Anordnung von Nickelatomen, die sich von ihrem Vorgänger unterscheidet. Sie weist drei Arten von Nickel-Konfigurationen auf: quadratisch-planar, pyramidal und oktahedral. Jede Art der Nickelstruktur hat unterschiedliche Eigenschaften, die beeinflussen können, wie das Material Strom leitet oder sich unter verschiedenen Bedingungen verhält.

Forscher verwendeten fortschrittliche Bildgebungstechniken, wie z. B. hochwinklige annular dark-field scanning transmission electron microscopy, um die atomare Struktur des neuen Materials zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass die Entfernung von Sauerstoff zu einzigartigen Anordnungen führte, die interessante Elektronische Eigenschaften hervorriefen, einschliesslich Ladungsanordnung und Elektronenlokalisierung bei niedrigen Temperaturen.

#Transporteigenschaften

Die Veränderungen in der elektronischen Anordnung von Sm Ni O beeinflussten auch seine elektrische Leitfähigkeit. Während das ursprüngliche Material, SmNiO, halbleitende Eigenschaften zeigte, wurde die neue Phase als stark isolierend befunden. Der Widerstand von Sm Ni O wurde als erheblich höher gemessen als der seines Elternmaterials, was auf eine dramatische Veränderung des elektrischen Verhaltens hinweist.

Bei der Untersuchung der Transporteigenschaften beider Materialien wurde beobachtet, dass SmNiO bei höheren Temperaturen von einem leitenden zu einem isolierenden Zustand überging. Im Gegensatz dazu blieb die neue Sm Ni O-Phase isolierend, was darauf hindeutet, dass die Entfernung von Sauerstoff grossen Einfluss auf ihre elektronische Landschaft hatte.

#Struktureller Vergleich

Um die Unterschiede zwischen SmNiO und Sm Ni O besser zu verstehen, verwendeten Forscher Röntgendiffraktion und Elektronenmikroskopie. Diese Techniken zeigten, dass sich die Gitterstruktur, also die Art und Weise, wie Atome angeordnet sind, während des Reduktionsprozesses erheblich verändert hat.

Der Gitterparameter der neuen Materialschicht war kleiner als der des ursprünglichen Nickelats, was auf einen strukturellen Übergang hinweist. Die Dünnschichten beider Materialien hielten eine hohe Qualität, was darauf hindeutet, dass der Wachstumsprozess erfolgreich war.

#Mikroskopische Charakterisierung

Mikroskopische Techniken spielten eine entscheidende Rolle bei der Charakterisierung der neuen Phase. Hochwinklige annular dark-field-Bildgebung zeigte, dass die neuen Sm Ni O-Dünnschichten gleichmässig und konsistent über grosse Flächen waren. Diese Gleichmässigkeit ist wichtig für potenzielle Anwendungen in der Elektronik, da sie impliziert, dass die Eigenschaften des Materials überall konsistent sein werden.

Zusätzlich beobachteten die Forscher das Vorhandensein von geordneten apikalen Sauerstoffvakanzen in der neuen Phase. Diese Vakanzen, die auftreten, wenn Sauerstoffatome in der Struktur fehlen, tragen erheblich zu den einzigartigen elektronischen Eigenschaften des Materials bei.

#Die Rolle von Sauerstoffvakanzen

Sauerstoffvakanzen sind entscheidend, um das Verhalten von Nickelaten zu verstehen. In Sm Ni O führt die kontrollierte Entfernung von Sauerstoff zur Bildung dieser Vakanzen, die wiederum die elektronische Struktur beeinflussen. Das Vorhandensein von Vakanzen kann zu unterschiedlichen Koordinationsumgebungen für die Nickelatome führen, was zu unterschiedlichen Ladungszuständen und Orbitaleanordnungen führt.

Die Studie deutete darauf hin, dass die Anordnung dieser Vakanzen zu einer komplexen elektronischen Landschaft führt, die durch starke Orbitale-Polarisation und Ladungs-Lokalisierung gekennzeichnet ist. Dieses Zusammenspiel zwischen Vakanzen und Nickelkoordinierung ist entscheidend für die Entwicklung von Materialien mit massgeschneiderten elektronischen Eigenschaften.

#Ab-initio-Berechnungen

Zur Unterstützung der experimentellen Ergebnisse führten die Forscher computergestützte Simulationen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie durch. Diese Simulationen lieferten Einblicke, wie unterschiedliche Anordnungen von Nickel und Sauerstoff die elektronischen Eigenschaften der neuen Phase beeinflussten.

Die Berechnungen zeigten, dass die Sm Ni O-Phase aus drei Typen von Nickelstandorten besteht, die jeweils zu einer gemischten Valenzsituation beitragen. Das bedeutet, dass die Nickelatome in unterschiedlichen Ladungszuständen existieren können, was zu dem einzigartigen Verhalten führt, das im Material beobachtet wird.

#Spektroskopische Messungen

Spektroskopische Techniken, wie z. B. Röntgenabsorption-Spektroskopie (XAS) und resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS), wurden verwendet, um die elektronischen Eigenschaften des neuen Nickelats weiter zu untersuchen. Diese Messungen ermöglichten es Wissenschaftlern, die elektronischen Zustände des Nickels sowohl im Eltern- als auch im reduzierten Zustand zu untersuchen.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Nickel in der Sm Ni O-Phase einen niedrigeren Oxidationszustand hatte als das von SmNiO. Diese Reduktion der Valenz deutete darauf hin, dass das neue Material trotz der stark isolierenden Eigenschaften aufgrund der strukturellen Veränderungen metallischer sein könnte.

#Auswirkungen auf zukünftige Forschung

Die Schaffung von Sm Ni O eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich der Materialwissenschaft, insbesondere für elektronische Anwendungen. Die einzigartige Kombination aus struktureller Ordnung und elektronischen Eigenschaften könnte zu Durchbrüchen bei der Entwicklung von Geräten der nächsten Generation führen.

Während die Forscher weiterhin das komplexe Verhalten dieser Materialien erkunden, könnten sie neue Phänomene entdecken, die für verschiedene Technologien genutzt werden könnten, wie z. B. Energiespeicherung, Sensoren oder sogar neuromorphe Rechengeräte. Die Fähigkeit, den Sauerstoffgehalt in Nickelaten zu steuern, könnte zu einer neuen Klasse von Materialien mit Anwendungen in fortschrittlicher Elektronik führen.

#Fazit

Die Untersuchung von Sm Ni O zeigt die aufregenden Möglichkeiten, die sich aus der Manipulation der Strukturen und Zusammensetzungen von Nickelaten ergeben. Durch den Einsatz fortschrittlicher Techniken zur Synthese und Charakterisierung können Wissenschaftler Materialien mit massgeschneiderten Eigenschaften herstellen, die das Potenzial haben, verschiedene Bereiche zu beeinflussen.

Diese Forschung erweitert nicht nur das Verständnis von Übergangsmetalloxiden, sondern ebnet auch den Weg für neue Anwendungen in der Elektronik und Materialwissenschaft. Die Erkenntnisse aus dieser Studie verdeutlichen die Bedeutung der kontinuierlichen Erforschung im Bereich der Materialtechnik, wo neue Entdeckungen zu transformative Technologien führen können.