Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben de eerste directe waarnemingen gedaan van een eendimensionale grens die twee verschillende, atoomdunne materialen, waardoor studies van lang-getheoretiseerde fenomenen op deze interfaces mogelijk worden.

Theoretici hebben het bestaan ​​van intrigerende eigenschappen voorspeld aan eendimensionale (1-D) grenzen tussen twee kristallijne componenten, maar experimentele verificatie is onderzoekers ontgaan omdat atomair nauwkeurige 1-D-interfaces moeilijk te construeren zijn.

"Hoewel veel theoretische studies van dergelijke 1-D-interfaces opvallend gedrag voorspellen, in ons werk hebben we de eerste experimentele validatie van die interface-eigenschappen geleverd, " zei ORNL's An-Ping Li.

De nieuwe Natuurcommunicatie studie bouwt voort op werk van ORNL en wetenschappers van de Universiteit van Tennessee die eerder dit jaar in Science werden gepubliceerd en die een methode introduceerden om verschillende tweedimensionale materialen - grafeen en boornitride - te laten groeien tot een enkele laag van slechts één atoom dik.

De materiaalgroeitechniek van het team ontgrendelde de mogelijkheid om de 1-D-grens en zijn elektronische eigenschappen in atomaire resolutie te bestuderen. Met behulp van scanning tunneling microscopie, spectroscopie en dichtheidsfunctionele berekeningen, de onderzoekers kregen eerst een uitgebreid beeld van ruimtelijke en energetische verdelingen van de 1-D interface-toestanden.

"In driedimensionale (3-D) systemen, de interface is ingebed, dus je kunt de volledige interface niet in de echte ruimte bekijken - je kunt alleen naar een projectie van dat vlak kijken, " zei Jewook Park, ORNL postdoctoraal onderzoeker en de hoofdauteur van het werk. "In ons geval, de 1-D-interface is volledig toegankelijk voor studie in de echte ruimte."

"De combinatie van scanning tunneling microscopie en de eerste principes theorie berekeningen stelt ons in staat om de chemische aard van de grens te onderscheiden en de effecten van orbitale hybridisatie op de kruising te evalueren, " zei ORNL's Mina Yoon, een theoreticus in het team.

De waarnemingen van de onderzoekers onthulden een zeer beperkt elektrisch veld op het grensvlak en boden de mogelijkheid om een ​​intrigerend fenomeen te onderzoeken dat bekend staat als een "polaire catastrofe, " wat voorkomt in 3D-oxide-interfaces. Dit effect kan atomaire en elektronenreorganisatie op het grensvlak veroorzaken om het elektrostatische veld te compenseren dat het gevolg is van de verschillende polariteiten van materialen.

"Dit is de eerste keer dat we het polaire discontinuïteitseffect in een 1-D-grens hebben kunnen bestuderen, ' zei Li.

Hoewel de onderzoekers zich richtten op het verkrijgen van een fundamenteel begrip van het systeem, ze merken op dat hun onderzoek zou kunnen uitmonden in toepassingen die profiteren van de 1-D-interface.

"Bijvoorbeeld, de 1-D-keten van elektronen kan worden benut om een ​​stroom langs de grens door te laten, " zei Li. "Het kan nuttig zijn voor elektronica, vooral voor ultradunne of flexibele apparaten."

Het team is van plan om verschillende aspecten van de grens te blijven onderzoeken, inclusief de magnetische eigenschappen en het effect van het ondersteunende substraat.

De studie is gepubliceerd als "Ruimtelijk opgeloste eendimensionale grenstoestanden in grafeen-hexagonale boornitride vlakke heterostructuren."