Forskere får første kig på atomtynde grænser

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har foretaget de første direkte observationer af en endimensionel grænse, der adskiller to forskellige, atomtynde materialer, muliggør studier af længe teoretiserede fænomener ved disse grænseflader.

Teoretikere har forudsagt eksistensen af ​​spændende egenskaber ved endimensionelle (1-D) grænser mellem to krystallinske komponenter, men eksperimentel verifikation har unddraget sig forskere, fordi atomisk præcise 1-D-grænseflader er svære at konstruere.

"Mens mange teoretiske undersøgelser af sådanne 1-D-grænseflader forudsiger slående adfærd, i vores arbejde har vi leveret den første eksperimentelle validering af disse grænsefladeegenskaber, " sagde ORNLs An-Ping Li.

Den nye Naturkommunikation undersøgelsen bygger på arbejde fra ORNL og University of Tennessee-videnskabsmænd offentliggjort i Science tidligere i år, der introducerede en metode til at dyrke forskellige todimensionelle materialer - grafen og bornitrid - til et enkelt lag, der kun er et atom tykt.

Holdets teknikker til vækst af materialer låste op for evnen til at studere 1-D-grænsen og dens elektroniske egenskaber i atomopløsning. Ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi, spektroskopi og tæthedsfunktionelle beregninger, forskerne fik først et omfattende billede af rumlige og energiske fordelinger af 1-D-grænsefladestaterne.

"I tredimensionelle (3-D) systemer, grænsefladen er indlejret, så du ikke kan få en real-space-visning af hele grænsefladen - du kan kun se på en projektion af det plan, "sagde Jewook Park, ORNL postdoc-forsker og hovedforfatter af værket. "I vores tilfælde, 1-D-grænsefladen er fuldstændig tilgængelig for studier i real-space. "

"Kombinationen af ​​scanning tunneling mikroskopi og de første principteoretiske beregninger giver os mulighed for at skelne den kemiske natur af grænsen og evaluere virkningerne af orbital hybridisering ved krydset, " sagde ORNLs Mina Yoon, en teoretiker på holdet.

Forskernes observationer afslørede et stærkt begrænset elektrisk felt ved grænsefladen og gav mulighed for at undersøge et spændende fænomen kendt som en "polær katastrofe, " som forekommer i 3-D oxidgrænseflader. Denne effekt kan forårsage atom- og elektronreorganisering ved grænsefladen for at kompensere for det elektrostatiske felt, der er et resultat af materialernes forskellige polariteter.

"Dette er første gang, vi har været i stand til at studere den polære diskontinuitetseffekt i en 1-D grænse, " sagde Li.

Selvom forskerne fokuserede på at få en grundlæggende forståelse af systemet, de bemærker, at deres undersøgelse kan kulminere i applikationer, der drager fordel af 1-D-grænsefladen.

"For eksempel, 1-D kæden af ​​elektroner kunne udnyttes til at føre en strøm langs grænsen, " sagde Li. "Det kunne være nyttigt til elektronik, især til ultratynde eller fleksible enheder. "

Holdet planlægger at fortsætte med at undersøge forskellige aspekter af grænsen, herunder dens magnetiske egenskaber og effekten af ​​dets understøttende substrat.

Undersøgelsen er publiceret som "Rumligt opløste endimensionelle grænsetilstande i grafen-hexagonale bornitrid plane heterostrukturer."