Inzicht in het gedrag van materialen op hun interfaces - waar ze verbinding maken met en interactie hebben met andere materialen - staat centraal bij het ontwerpen van een verscheidenheid aan apparaten die worden gebruikt voor het verwerken, informatie op te slaan en over te dragen. Apparaten zoals transistors, magnetisch geheugen en lasers kunnen allemaal verbeteren als onderzoekers zich verdiepen in de aard van deze bindingen, die de eigenschappen van geleidbaarheid en magnetisme van de materialen beïnvloeden.

Bij deze poging, Steven Mei, doctoraat, en zijn collega's van Drexel University's College of Engineering, samen met onderzoekers van de Universiteit van Saskatchewan en Lawrence Berkeley, Brookhaven en Argonne National Labs hebben onlangs een nieuwe benadering gedemonstreerd voor het onderzoeken van - met atoomlaagprecisie - veranderingen in het gedrag van elektronen op de grensvlakken tussen twee materialen.

Vooral, de benadering geeft een glimp van hoe de mate van covalente en ionische binding tussen metaal- en zuurstofatomen verandert bij het verplaatsen van het ene materiaal naar het andere.

De demonstratie van deze methode, die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde materialen , biedt wetenschappers een krachtige bron voor het ontsluiten van het potentieel van technische materialen op atomair niveau.

"Deze interfaces kunnen nieuwe functionaliteit geven aan de materiaalstapels, maar om direct te bestuderen hoe de eigenschappen van elektronen aan de grensvlakken verschillen van de niet-grensvlakelektronen, zijn technieken nodig die eigenschappen ruimtelijk kunnen oplossen over afzonderlijke atomaire lagen, " zei mei, een professor in de afdeling Materials Science and Engineering bij Drexel. "Bijvoorbeeld, een meting van de geleidbaarheid van een materiaal geeft informatie over het gemiddelde vermogen om elektriciteit te geleiden, maar onthult geen verschillen tussen hoe de elektronen zich gedragen op de interfaces en weg van de interfaces."

Ionische en covalente binding is een centraal concept in de materiaalkunde dat beschrijft hoe atomen bij elkaar worden gehouden om vaste materialen te vormen. In een ionbinding, elektronen van het ene atoom worden overgedragen naar een ander atoom. De aantrekkingskracht tussen het resulterende positief geladen ion - kation - en negatief geladen ion - anion - is wat de atomen samentrekt, waardoor er een band ontstaat. Omgekeerd, een covalente binding vormt zich wanneer twee atomen hun elektronen met elkaar delen - in plaats van ze volledig over te dragen.

Het begrijpen van elektronengedrag in een atomaire binding is een belangrijke factor voor het begrijpen of voorspellen van het gedrag van materialen. Bijvoorbeeld, materialen met ionische bindingen zijn meestal isolatoren die de stroom van elektriciteit blokkeren; terwijl materialen met covalente bindingen elektrisch geleidend kunnen zijn.

Maar veel materialen bevatten bindingen die het best kunnen worden omschreven als een mengsel van ionisch en covalent. In die materialen de mate waarin de binding ionisch of covalent is, heeft een sterke invloed op de elektronische eigenschappen.

"De details van dit mengsel hangen af ​​van welke elektron-orbitalen de elektronen met de hoogste energie - die de bindingen vormen - vandaan komen, " zei May. "Het orbitale karakter van deze elektronen, beurtelings, heeft ingrijpende gevolgen voor hun elektronische en magnetische gedrag. Hoewel wetenschappers computationele benaderingen hebben ontwikkeld om te beschrijven hoe covalent of ionisch een binding is, experimenteel meten hoe het orbitale karakter van elektronen of de veranderingen in covalentie over interfaces een belangrijke uitdaging blijft in materiaalonderzoek."

De benadering van het team voor het maken van deze experimentele meting omvat een techniek die resonante röntgenreflectiviteit wordt genoemd. Dergelijke experimenten kunnen alleen worden uitgevoerd in de grote synchrotron-röntgenfaciliteiten, zoals die van het U.S. Department of Energy. Deze enorme laboratoria genereren röntgenstraling om de structuur van materialen te onderzoeken.

In een reflectie-experiment, onderzoekers analyseren het patroon van röntgenstralen die door het materiaal worden verstrooid om de relatieve elektronendichtheid in een materiaal te begrijpen. De reflectiviteitsgegevens kunnen worden gebruikt om de concentratie van elektronen te bepalen, in verhouding tot hun afstand tot het oppervlak van het materiaal.

Door de golflengte van de röntgenstralen af ​​te stemmen om elektronische overgangen op te wekken die specifiek zijn voor individuele elementen in de materiaalstapel, het team was in staat om de elektronenbijdragen van elk element aan hun gedeelde binding te meten - dus revealing how ionic or covalent the bond is.

"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, doctoraat, 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.

"Vooruit gaan, 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."