Un equipo de científicos de la universidades de Penn State, Cornell y el Laboratorio Nacional Argonne han visualizado, por primera vez, la estructura atómica 3D de la estructura cristalina de perovskita más compleja descodificado hasta la fecha.

Las perovskitas son minerales que tienen unas propiedades de alto valor como aislantes eléctricos, semiconductores, metales o superconductores, dependiendo de la disposición de sus átomos y electrones. Los cristales de perovskita tienen una agrupación inusual de átomos de oxígeno en forma de octaedro. Esta disposición de los átomos de oxígeno actúa como una jaula que puede contener un gran número de átomos elementales en la tabla periódica. Además, otros átomos pueden fijarse a las esquinas de un cubo fuera de la jaula en lugares precisos para alterar las propiedades del material, por ejemplo, cambiar un metal en un aislante, o un material no magnético en ferromagnético.

En el actual trabajo, el equipo de investigación cultivó el primer cristal de perovskita, denominado como titanato de calcio, sobre una serie de otros sustratos de cristal de perovskia con jaulas de oxígeno similares pero ligeramente diferentes en sus superficies. Debido a que la perovskita de película delgada en la parte superior quiere adaptarse a la estructura del sustrato más grueso, contorsiona sus jaulas en un proceso conocido como epitaxia de inclinación. Los investigadores encontraron que esta epitaxia de inclinación del titanato de calcio hizo que un material común se convirtiera en ferroeléctrico, mediante una polarización instantánea,  y que mantuviera esta propiedad hasta una temperatura de 900 K, aproximadamente tres veces más caliente que la temperatura ambiente. También pudieron visualizar la distribución tridimensional de densidad de de electrones en una película delgada de titanato de calcio por primera vez.

“Hemos podido ver los átomos durante bastante tiempo y su distribución de electrones  en el espacio en un cristal en tres dimensiones. Si podemos ver no solo dónde se encuentran los núcleos atómicos en el espacio, sino también cómo se comparten sus nubes de electrones, nos dirá básicamente todo lo que necesitamos saber sobre el material para inferir sus propiedades”, dijo Venkat Gopalan, profesor de ciencias de materiales de Penn State.

Gopalan continúo explicando que muy pocas jaulas de oxígeno de perovskita están perfectamente alineadas en todo el material. Algunas giran en sentido contrario a las agujas del reloj en una capa de átomos y en el sentido de las agujas del reloj en la siguiente. Desde la interfaz de una película con el substrato sobre el que crece, hasta llegar a su superficie, cada capa atómica puede tener cambios únicos en su estructura. Todas estas distorsiones hacen que el material tenga propiedades diferentes, las cuales se pueden predecir usando una técnica computacional denominada como “teoría funcional de la densidad” ( Density Funciontal Theory – DFT).

“Las predicciones de los cálculos DFT ofrecen una información valiosa para complementar los datos experimentales y ayuda a explicar la forma en que las propiedades de los materiales cambian con la alineación o inclinación de las jaulas de oxígeno de perovskita”, concluye  Susan Sinnott, profesora de Ciencia e Ingeniería de Materiales, cuyo grupo realizó los cálculos teóricos.

Créditos imagen portada: Yakun Yuan/Penn State