Tager et røntgenbillede af en atombinding

At forstå materialers adfærd ved deres grænseflader - hvor de forbinder til og interagerer med andre materialer - er centralt for at konstruere en række forskellige enheder, der bruges til at behandle, gemme og overføre oplysninger. Enheder som transistorer, magnetisk hukommelse og lasere kunne alle blive bedre, efterhånden som forskere dykker ned i arten af ​​disse bindinger, som påvirker materialernes egenskaber ledningsevne og magnetisme.

I denne indsats, Steven May, Ph.D., og hans kolleger fra Drexel University's College of Engineering, sammen med forskere fra University of Saskatchewan og Lawrence Berkeley, Brookhaven og Argonne National Labs har for nylig demonstreret en ny tilgang til at undersøge - med atomlagspræcision - ændringer i elektronernes adfærd ved grænsefladerne mellem to materialer.

I særdeleshed, tilgangen giver et indblik i, hvordan graden af ​​kovalent og ionisk binding mellem metal- og oxygenatomer ændres ved at flytte fra et materiale til det næste.

Demonstrationen af ​​denne metode, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer , giver videnskabsmænd en kraftfuld ressource til at frigøre potentialet for ingeniørmaterialer på atomniveau.

"Disse grænseflader kan give ny funktionalitet til materialestakkene, men direkte at studere, hvordan egenskaberne af elektroner ved grænsefladerne adskiller sig fra de ikke-grænsefladeelektroner, kræver teknikker, der rumligt kan opløse egenskaber på tværs af individuelle atomlag, sagde May, en professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik på Drexel. "For eksempel, en måling af et materiales ledningsevne giver information om dets gennemsnitlige evne til at lede elektricitet, men afslører ikke forskelle mellem, hvordan elektronerne opfører sig ved grænsefladerne og væk fra grænsefladerne."

Ionisk og kovalent binding er et centralt begreb i materialevidenskab, der beskriver, hvordan atomer holdes sammen for at danne faste materialer. I en ionbinding, elektroner fra et atom overføres til et andet atom. Tiltrækningen mellem den resulterende positivt ladede ion - kation - og negativt ladede ion - anion - er det, der trækker atomerne sammen, dermed skabe et bånd. Omvendt en kovalent binding dannes, når to atomer deler deres elektroner med hinanden - i stedet for at overføre dem fuldstændigt.

At forstå elektronadfærd i en atombinding er en vigtig faktor for at forstå eller forudsige materialers adfærd. For eksempel, materialer med ioniske bindinger har tendens til at være isolatorer, der blokerer strømmen af ​​elektricitet; mens materialer med kovalente bindinger kan være elektrisk ledende.

Men mange materialer indeholder bindinger, der bedst beskrives som en blanding af ioniske og kovalente. I de materialer, graden, i hvilken bindingen er ionisk eller kovalent, har stor indflydelse på dens elektroniske egenskaber.

"Detaljerne i denne blanding afhænger af, hvilke elektronorbitaler elektronerne med den højeste energi - dem, der danner bindingerne - kommer fra, " sagde May. "Disse elektroners orbitale karakter, på tur, har dybtgående virkninger på deres elektroniske og magnetiske adfærd. Mens forskere har udviklet beregningsmæssige tilgange til at beskrive, hvor kovalent eller ionisk en binding er, eksperimentelt at måle, hvordan elektronernes orbitale karakter eller ændringerne i kovalens på tværs af grænseflader forbliver en væsentlig udfordring i materialeforskning."

Holdets tilgang til denne eksperimentelle måling involverer en teknik kaldet resonans røntgenreflektivitet. Eksperimenter som dette kan kun udføres i de store synkrotron røntgenfaciliteter, som dem, der drives af det amerikanske energiministerium. Disse massive laboratorier genererer røntgenstråling for at undersøge materialers struktur.

I et reflektionseksperiment, forskere analyserer mønsteret af røntgenstråler, der er spredt fra materialet for at forstå den relative elektrontæthed i et materiale. Refleksionsdataene kan bruges til at bestemme koncentrationen af ​​elektroner, i forhold til deres afstand fra materialets overflade.

Ved at indstille røntgenstrålernes bølgelængde for at excitere elektroniske overgange, der er specifikke for individuelle elementer i materialestakken, holdet var i stand til at måle hvert elements elektronbidrag til deres fælles binding – således, afsløre, hvor ionisk eller kovalent bindingen er.

"This is something like how climatologists would use ice-core samples to analyze the chemical makeup of each layer as a function of depth from the surface, " May said. "We can do the same thing at the atomic scale using X-ray reflectivity. But the information we're obtaining tells us about the orbital character of electrons and how this changes from one atomic layer to the next."

The materials used in the study are composed of alternating layers of two transition metal oxide compounds—strontium ferrite and calcium ferrite. These materials are of interest because they exhibit many of the exotic electronic behaviors found in quantum materials, including changing from metallic to insulating states as they cool.

At the heart of these materials' unusual properties is the iron-oxygen bond. Theory predicts that the bond in this material is much more covalent than typical iron-oxygen bonds, which tend to be quite ionic in most iron-containing compounds.

Using the X-ray reflectivity approach, the team was able to measure—for the first time—how the oxygen and iron contributions to the electronic character differs in the layers and at the interface of the two compounds.

"By individually probing the electron density of the oxygen states and the iron states, we could determine the degree of covalency between iron and oxygen across these oxide interfaces at the atomic scale, " said Paul Rogge, Ph.D., a postdoctoral researcher at Drexel who is the first author on the paper. "We were surprised to find a dramatic change in covalency between the materials because their individual electronic structures are very similar, but by interfacing thin films of these two materials we can tweak their physical structure and thus alter their atomic bonding, which ultimately affects their electronic and magnetic properties."

Understanding how unusual material interfaces, like those of quantum materials, function could be the first step toward harnessing their properties to improve the processing power, storage and communications capabilities of electronic devices.

"Bevæger sig fremad, we are excited about applying this technique to other classes of quantum materials, such as topological insulators and semimetals, to gain new insights into how interfaces alter magnetic and electronic character in those materials, " May said. "Because the majority of electronic and magnetic devices rely on interfaces to operate, having a deep understanding of how electrons behave at interfaces is critical for the design of future electronic technologies."