Fysikere udvikler ny teknik til at gennemskue smarte materialer

Fysikere fra FOM Foundation og Leiden University har fundet en måde at bedre forstå egenskaberne ved menneskeskabte 'smarte' materialer. Deres metode afslører, hvordan stablede lag i et sådant materiale arbejder sammen for at bringe materialet til et højere niveau. Gruppeleder Sense Jan van der Molen og hans forskerhold offentliggør deres resultater den 26. november 2015 i Naturkommunikation .

Kan vi designe smarte materialer med helt nye egenskaber? En meget lovende måde at gøre dette på er at stable ekstremt tynde lag-kun et atom tykt-i et tredimensionelt materiale; en slags sandwichkage. Interessant nok, egenskaberne af disse kompositmaterialer bestemmes ikke kun af egenskaberne af de enkelte lag. Samspillet mellem lagene spiller også en væsentlig rolle. Følgelig, sådan et lagdelt materiale kan have meget forskellige egenskaber, end du måske forventer baseret på kombinationen af ​​egenskaber for de enkelte lag; helheden er mere end summen af ​​delene. Fysikere fra FOM og Leiden University har udviklet en teknik, der giver dem mulighed for at studere interaktionen mellem materialelagene.

Band struktur

Materialets elektroniske egenskaber, udtrykt i det, der kaldes båndstrukturen, bestemme, hvordan materialet opfører sig. Båndstrukturen fortæller dig, hvilken energi en elektron i materialet kan have, og hvordan denne energi afhænger af elektronens hastighed. Der er tilladte energier ('bånd') og forbudte energier ('båndgab'). En stor del af denne båndstruktur var tidligere vanskelig at måle. Første forfatter Johannes Jobst og hans kolleger overvandt problemet ved at bruge og opgradere et specielt mikroskop:et lavenergi-elektronmikroskop (LEEM).

Mikroskopet affyrer elektroner med en bestemt energi på det sonderede materiale. Forskere måler efterfølgende, hvor mange elektroner af forskellige energier der reflekteres. Når en indkommende elektron støder på en ledig tilstand i materialet, det afspejles ikke. Omvendt når der ikke er frie tilstande med energien fra den indgående elektron, refleksionshastigheden er høj. Ved hjælp af denne metode, forskerne kan måle, hvilke besatte og ubesatte elektronstater der er til stede i det lagdelte materiale og følgelig hvordan båndstrukturen ser ud.

Ved at gøre dette med forskellige stakke af grafen, det lykkedes forskerne at afsløre, hvordan båndene i forbindelse med de forskellige lag interagerer med hinanden. Metoden har en 100, 000 gange højere rumlig opløsning end konventionelle metoder. Dette er vigtigt, fordi de nuværende lagdelte materialer har en ekstremt lille overflade (langt mindre end en kvadratmillimeter).

Designer materialer

Så snart forskere har en god forståelse for interaktionen, de kan muligvis tage det næste trin:"Vi ønsker at kunne vælge bestemte egenskaber på forhånd og efterfølgende stable lagene på en sådan måde at realisere det ønskede materiale, "siger Sense Jan van der Molen." Sådanne designermaterialer er det langsigtede mål. "