В рамках этой работы Стивен Мэй, доктор философии, и его коллеги из Инженерного колледжа Университета Дрекселя, а также исследователи из Университета Саскачевана и Лоуренса Беркли, Брукхейвенской и Аргоннской национальных лабораторий недавно продемонстрировали новый подход к исследованию – с атомным слоем. точность – изменения в поведении электронов на границах раздела между двумя материалами.
В частности, этот подход дает представление о том, как степень ковалентной и ионной связи между атомами металла и кислорода изменяется при переходе от одного материала к другому.
Демонстрация этого метода, недавно опубликованная в журнале Advanced Materials, предоставляет ученым мощный ресурс для раскрытия потенциала инженерных материалов на атомном уровне.
«Эти интерфейсы могут придавать новые функциональные возможности стопкам материалов, но непосредственное изучение того, как свойства электронов на границах раздела отличаются от электронов, не являющихся межфазными, требует методов, которые могут пространственно разрешать свойства в отдельных атомных слоях», – сказал Мэй, профессор Департамент материаловедения и инженерии в Drexel. «Например, измерение проводимости материала дает информацию о его средней способности проводить электричество, но не выявляет различий между тем, как электроны ведут себя на границах раздела и вдали от границ раздела."
Ионная и ковалентная связь – центральное понятие в материаловедении, которое описывает, как атомы удерживаются вместе, образуя твердые материалы. В ионной связи электроны от одного атома передаются другому атому. Притяжение между образовавшимся положительно заряженным ионом – катионом – и отрицательно заряженным ионом – анионом – это то, что сближает атомы, создавая таким образом связь. И наоборот, ковалентная связь образуется, когда два атома делятся своими электронами друг с другом, вместо того, чтобы полностью передавать их.
Понимание поведения электронов в атомной связи является важным фактором для понимания или предсказания поведения материалов. Например, материалы с ионными связями обычно являются изоляторами, блокирующими прохождение электричества; в то время как материалы с ковалентными связями могут быть электропроводными.
Но многие материалы содержат связи, которые лучше всего описать как смесь ионных и ковалентных связей.
В этих материалах степень ионности или ковалентности связи сильно влияет на ее электронные свойства.
«Детали этой смеси зависят от того, на каких электронных орбиталях появляются электроны с наивысшей энергией – те, которые образуют связи», – сказал Мэй. "Орбитальный характер этих электронов, в свою очередь, оказывает сильное влияние на их электронное и магнитное поведение. Хотя ученые разработали вычислительные подходы для описания ковалентной или ионной связи, экспериментальное измерение орбитального характера электронов или изменений ковалентности между интерфейсами остается серьезной проблемой в исследованиях материалов."
Подход команды к проведению этого экспериментального измерения включает метод, называемый резонансной отражательной способностью рентгеновских лучей. Подобные эксперименты можно проводить только в больших синхротронных рентгеновских установках, таких как те, которые эксплуатируются U.S. Департамент энергетики. Эти огромные лаборатории генерируют рентгеновское излучение для исследования структуры материалов.
В эксперименте по отражательной способности исследователи анализируют структуру рентгеновских лучей, рассеиваемых материалом, чтобы понять относительную плотность электронов в материале. Данные по отражательной способности можно использовать для определения концентрации электронов в зависимости от их расстояния от поверхности материала.
Настраивая длину волны рентгеновских лучей для возбуждения электронных переходов, характерных для отдельных элементов в стопке материалов, команда смогла измерить вклад электронов каждого элемента в их общую связь – таким образом, выявив, насколько ионной или ковалентной является связь.
«Это похоже на то, как климатологи использовали бы образцы ледяного керна для анализа химического состава каждого слоя в зависимости от глубины от поверхности», – сказал Мэй. "Мы можем сделать то же самое в атомном масштабе, используя коэффициент отражения рентгеновских лучей. Но информация, которую мы получаем, говорит нам об орбитальном характере электронов и о том, как он меняется от одного атомного слоя к другому."
Материалы, использованные в исследовании, состоят из чередующихся слоев двух оксидных соединений переходных металлов – феррита стронция и феррита кальция. Эти материалы представляют интерес, потому что они демонстрируют множество экзотических электронных свойств, присущих квантовым материалам, в том числе переход от металлического состояния к изолирующему по мере охлаждения.
В основе необычных свойств этих материалов лежит связь железо-кислород. Теория предсказывает, что связь в этом материале намного более ковалентная, чем типичные связи железо-кислород, которые имеют тенденцию быть довольно ионными в большинстве железосодержащих соединений.
Используя метод отражения рентгеновских лучей, команда смогла впервые измерить, как вклад кислорода и железа в электронный характер различается в слоях и на границе раздела двух соединений.
«Путем индивидуального исследования электронной плотности состояний кислорода и состояний железа мы могли бы определить степень ковалентности между железом и кислородом через эти границы раздела оксидов в атомном масштабе», – сказал Пол Рогге, доктор философии, научный сотрудник Drexel. первый автор статьи. «Мы были удивлены, обнаружив резкое изменение ковалентности между материалами, потому что их индивидуальные электронные структуры очень похожи, но, соединяя тонкие пленки этих двух материалов, мы можем настроить их физическую структуру и, таким образом, изменить их атомные связи, что в конечном итоге влияет на их электронную структуру. и магнитные свойства."
Понимание того, как функционируют необычные материальные интерфейсы, такие как интерфейсы квантовых материалов, могло бы стать первым шагом к использованию их свойств для улучшения вычислительной мощности, возможностей хранения и связи электронных устройств.
«Двигаясь вперед, мы рады применить эту технику к другим классам квантовых материалов, таким как топологические изоляторы и полуметаллы, чтобы по-новому взглянуть на то, как интерфейсы изменяют магнитный и электронный характер этих материалов», – сказал Мэй. «Поскольку большинство электронных и магнитных устройств полагаются на интерфейсы для работы, глубокое понимание того, как электроны ведут себя на интерфейсах, имеет решающее значение для разработки будущих электронных технологий."