Determination of Grain-Boundary Structure and Electrostatic Characteristics in a SrTiO3 Bicrystal by Four-Dimensional Electron Microscopy

晶界 原子单位 扫描透射电子显微镜 化学物理 透射电子显微镜 静电学 价(化学) 材料科学 表征(材料科学) 电子 纳米技术 凝聚态物理 化学 结晶学 微观结构 物理 物理化学 有机化学 量子力学
作者
Chao Yang,Yi Wang,Wilfried Sigle,Peter A. van Aken
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:21 (21): 9138-9145 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c02960
摘要

The grain boundary (GB) plays a critical role in a material's properties and device performance. Therefore, the characterization of a GB's atomic structure and electrostatic characteristics is a matter of great importance for materials science. Here, we report on the atomic structure and electrostatic analysis of a GB in a SrTiO3 bicrystal by four-dimensional scanning transmission electron microscopy (4D-STEM). We demonstrate that the Σ5 GB is Ti-rich and poor in Sr. We investigate possible effects on the variation in the atomic electrostatic field, including oxygen vacancies, Ti-valence change, and accumulation of cations. A negative charge resulting from a space-charge zone in SrTiO3 compensates a positive charge accumulated at the GB, which is in agreement with the double-Schottky-barrier model. It demonstrates the feasibility of characterizing the electrostatic properties at the nanometer scale by 4D-STEM, which provides comprehensive insights to understanding the GB structure and its concomitant effects on the electrostatic properties.
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