Komplexe Oxide zeigen eine breite Palette faszinierender physikalischer Eigenschaften, die sich aus komplexen atomaren Anordnungen und komplexen elektronischen Wechselwirkungen ergeben. Eine präzise Charakterisierung der atomaren Struktur und elektrostatischen Eigenschaften dieser Materialien ist entscheidend, um ihre funktionellen Eigenschaften aufzuklären und die Entwicklung neuartiger Bauelemente zu ermöglichen. In dieser Studie verwenden wir neueste Elektronenmikroskopie-Techniken, insbesondere die 4-dimensionale Raster Transmissionselektronenmikroskopie (4D-STEM) und die Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS), um die atomare Struktur und die elektrostatischen Eigenschaften von komplexen Oxiden zu untersuchen.

Die 4D-STEM-Technik ermöglicht die Erfassung vielfältiger Informationen aus Elektronenbeugungsmustern, die eine präzise Aufzeichnung von Atompositionen und die Analyse komplexer Elektronenwechselwirkungen innerhalb des Kristallgitters ermöglichen. Hochauflösende Abbildungen der atomaren Struktur können rekonstruiert werden, um Defekte, Grenzflächen und subtile strukturelle Verzerrungen in den komplexen Oxiden zu identifizieren. Das elektrostatische Feld oder die Ladungsverteilung innerhalb einer dünnen Probe können durch Berechnung des Impulsübertrags des Elektronenstrahls extrahiert werden. Durch die Kombination von 4D-STEM mit STEM-EELS erhält man ein umfassendes Verständnis der lokalen atomaren und elektronischen Struktur sowie der Ladungsverteilung und ihrer Wechselwirkungen in ausgewählten Bereichen in komplexen Oxiden, wie Defekte, Grenzflächen, Oberflächen und Korngrenzen.

In dieser Arbeit haben wir zunächst die atomare Struktur und elektrostatische Eigenschaften an der Korngrenze (GB) in einem SrTiO3-Bikristall untersucht. Wir zeigen, dass die Σ5-GB reich an Ti und verarmt an Sr ist. Wir untersuchen mögliche Auswirkungen auf die Variation des atomaren elektrostatischen Feldes, einschließlich Sauerstoffleerstellen, Änderungen in der Ti-Valenz und Ansammlung von Kationen. Eine negative Ladung, die aus einer Raumladungszone in SrTiO3 resultiert, kompensiert eine positive Ladung, die an der GB akkumuliert wird, was mit dem Modell der doppelten Schottky-Barriere übereinstimmt. Dies zeigt, dass elektrostatische Eigenschaften im Nanometer-Maßstab durch 4D-STEM charakterisiert werden können, was umfassende Einblicke in die GB Struktur und deren Auswirkungen auf die elektrostatischen Eigenschaften ermöglicht.

Wir haben weiterhin die atomaren Strukturen und elektrostatischen Eigenschaften in den spezifischen Bereichen um Ruddlesden-Popper-Fehlern in einem NdNiO3-Film, den Grenzflächen zwischen SrTiO3 und NdNiO2 und der Oberfläche der teilweise reduzierten Nickelat-Filme untersucht. Das NdNiO3-System hat aufgrund der Entdeckung der Supraleitfähigkeit in Nd0.8Sr0.2NiO2 viel Aufmerksamkeit erregt. In Seltenerd-Nickelaten spielen Ruddlesden-Popper-Fehler eine wichtige Rolle für die funktionellen Eigenschaften, was uns dazu motiviert hat, die mikrostrukturellen Merkmale und die elektronische Struktur zu untersuchen. Dazu haben wir aberrationskorrigierte Rastertransmissionselektronenmikroskopie und -spektroskopie verwendet, um einen durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellten NdNiO3-Film zu untersuchen. Wir fanden RP-Fehler mit mehreren Konfigurationen in HAADF-(high-angle annular dark-field) Aufnahmen. Die quantitative Analyse der Variation der Gitterkonstanten deutet darauf hin, dass große Dehnungen um die Substrat-Film-Grenzfläche bestehen. Wir zeigen, dass die Änderung der Ni-Valenz um RP-Fehler mit einer Dehnung und Strukturveränderung zusammenhängt. Diese Arbeit liefert Einblicke in die Mikrostruktur und die Modifikationen der elektronischen Struktur um RP Fehler in Nickelaten.

Darüber hinaus spielt die Polarität der Grenzfläche eine wichtige Rolle für die physikalischen Eigenschaften von Oxid-Heterogrenzflächen, da sie spezifische Modifikationen der elektronischen und atomaren Struktur verursachen kann. Die Rekonstruktion aufgrund der starken Polarität der NdNiO2/SrTiO3-Grenzfläche in kürzlich entdeckten supraleitenden Nickelatfilmen könnte eine wichtige Rolle spielen, da im Volumenmaterial keine Supraleitung beobachtet wurde. Daher haben wir die Auswirkungen der Sauerstoffverteilung, der polyedrischen Verzerrung, der chemischen Vermischung und der Dimensionalität in NdNiO2/SrTiO3-Übergittern untersucht, die auf SrTiO3 (001)-Substraten gewachsen sind. Die Bilder der Sauerstoffverteilung zeigen eine graduelle Variation des Sauerstoffgehalts in der Nickelatschicht. Bemerkenswert ist, dass wir eine dickeabhängige Rekonstruktion der Grenzfläche aufgrund einer polaren Diskontinuität nachweisen können. Die durchschnittliche Verschiebung der Kationen von ∼0,025 nm an den Grenzflächen in 8NdNiO2/4SrTiO3 Übergittern ist doppelt so groß wie in 4NdNiO2/2SrTiO3-Übergittern.

Darüber hinaus kann auch die Polarität einer Oberfläche die elektronischen und strukturellen Eigenschaften von Oxid-Dünnschichten durch elektrostatische Effekte beeinflussen. Um den Mechanismus hinter diesen Effekten zu verstehen, sind Kenntnisse über die atomare Struktur und die elektrostatischen Eigenschaften an der Oberfläche erforderlich. Wir haben die Oberflächenstruktur eines Pr0.8Sr0.2NiO2+x (0 < x < 1)-Films mit Hilfe von ABF-(annular bright-field) Abbildungen untersucht. Wir haben eine polare Verzerrung in Verbindung mit Oktaeder-Rotationen in einer vollständig oxidierten Pr0.8Sr0.2NiO3-Probe und eine stärkere polare Verzerrung in einer teilweise reduzierten Probe beobachtet. Ihre räumliche Ausdehnung beträgt etwa drei Elementarellen von der Oberfläche aus. Darüber hinaus haben wir mit 4D-STEM das lokale atomare elektrische Feld um die Ni-Atome in der Nähe der Oberfläche direkt abgebildet und deutliche Valenzvariationen der Ni-Atome entdeckt, die durch EELS bestätigt wurden. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die starke Oberflächenrekonstruktion in der reduzierten Probe eng mit der Bildung von Sauerstoffleerstellen durch die topotaktische Reduktion zusammenhängt. Dank der Vorteile von 4D-STEM und STEM-EELS präsentiert diese Arbeit detaillierte Studien zur atomaren Struktur und elektrostatischen Eigenschaften von Defekten, Grenzflächen, Oberflächen und Korngrenzen in komplexen Oxiden und liefert Einblicke in den Mechanismus des physikalischen Verhaltens auf atomarer Skala.