Forskere karakteriserer individuelle defekter inde i en bulk isolator ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi

Nanoskala defekter er enormt vigtige for at forme det elektriske, optisk, og et materiales mekaniske egenskaber. For eksempel, en defekt kan donere ladning eller sprede elektroner, der bevæger sig fra et punkt til et andet. Imidlertid, observation af individuelle defekter i bulkisolatorer, en allestedsnærværende og væsentlig komponent til næsten alle enheder, er forblevet uhåndgribelig:det er langt lettere at afbilde den detaljerede elektriske struktur af ledere end isolatorer.

Nu, Berkeley Lab-forskere har demonstreret en ny metode, der kan anvendes til at studere individuelle defekter i et meget brugt bulkisoleringsmateriale, sekskantet bornitrid (h-BN), ved at anvende scanning tunneling microscopy (STM).

"Normalt, STM bruges til at studere ledere og kan ikke bruges til at studere bulkisolatorer, da elektrisk strøm typisk ikke løber gennem en isolator, " forklarer Mike Crommie, fysiker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor ved UC Berkeley, i hvis laboratorium dette arbejde blev udført. Hans team overvandt denne forhindring ved at dække h-BN med et enkelt ark grafen.

"Dette giver os mulighed for at visualisere de ladede defekter indlejret i den underliggende BN-krystal, " siger Crommie. "I bund og grund, vi bruger grafen som et vindue til at se ind i isolatoren."

tilføjer Jairo Velasco Jr, også medlem af Materials Sciences Division og en ledende medforfatter af dette arbejde, "I modsætning til tidligere undersøgelser, der var begrænset til rumligt gennemsnit af defektadfærd, vores eksperiment visualiserer individuelle punktdefekter indlejret i en BN-krystal med nanoskala-præcision. STM'en tillader detaljer om en defekts elektroniske egenskaber at blive ekstraheret ved direkte at detektere, hvordan elektroner i grafen reagerer på defekten i den underliggende bulkisolator."

Grafensyntese og karakterisering, udført på Molecular Foundry, en DOE Office of Science brugerfacilitet, hjalp forskerne med at visualisere og endda manipulere individuelle defekter i den underliggende bulk BN-isolator. Nye funktioner i STM topografiske og energiafhængige elektrontæthedsbilleder inkluderede tilfældigt fordelte prikker og ringe med varierende intensitet.

"Vi opdagede, at det er muligt selektivt at manipulere ladningstilstandene for individuelle BN-defekter ved at påføre spændingsimpulser med vores STM-spids, " siger Velasco.

Den nye teknik er et værdifuldt værktøj for de mange forskere i 2D-materialesamfundet, der bruger h-BN. Det kan også bruges til at studere andre isolatorer såsom diamant med nitrogen-friplads-centre - et populært system til nanoskala sensing.