Defecten op nanoschaal zijn enorm belangrijk bij het vormgeven van de elektrische, optisch, en mechanische eigenschappen van een materiaal. Bijvoorbeeld, een defect kan ladings- of verstrooiingselektronen afgeven die van het ene punt naar het andere gaan. Echter, observeren van individuele defecten in bulkisolatoren, een alomtegenwoordig en essentieel onderdeel voor bijna alle apparaten, is ongrijpbaar gebleven:het is veel gemakkelijker om de gedetailleerde elektrische structuur van geleiders in beeld te brengen dan isolatoren.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van Berkeley Lab hebben een nieuwe methode gedemonstreerd die kan worden toegepast om individuele defecten in een veelgebruikt bulkisolatiemateriaal te bestuderen. hexagonaal boornitride (h-BN), door gebruik te maken van scanning tunneling microscopie (STM).

"Normaal gesproken, STM wordt gebruikt om geleiders te bestuderen en kan niet worden gebruikt om bulkisolatoren te bestuderen, aangezien elektrische stroom doorgaans niet door een isolator vloeit, " legt Mike Crommie uit, natuurkundige bij Berkeley Lab's Materials Sciences Division en professor aan UC Berkeley, in wiens lab dit werk werd uitgevoerd. Zijn team overwon dit obstakel door de h-BN af te dekken met een enkel vel grafeen.

"Hierdoor kunnen we de geladen defecten visualiseren die zijn ingebed in het onderliggende BN-kristal, " zegt Crommie. "In wezen, we gebruiken grafeen als venster om in de isolator te kijken."

voegt Jairo Velasco Jr toe, ook een lid van de Materials Sciences Division en een leidende co-auteur van dit werk, "In tegenstelling tot eerdere studies die beperkt waren tot het ruimtelijk middelen van defectgedrag, ons experiment visualiseert individuele puntdefecten ingebed in een BN-kristal met precisie op nanoschaal. Met de STM kunnen details van de elektronische eigenschappen van een defect worden geëxtraheerd door direct te detecteren hoe elektronen in grafeen reageren op het defect in de onderliggende bulkisolator."

Grafeensynthese en karakterisering, uitgevoerd in de Molecular Foundry, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, hielp de onderzoekers bij het visualiseren en zelfs manipuleren van individuele defecten in de onderliggende bulk BN-isolator. Nieuwe kenmerken in STM-topografische en energieafhankelijke afbeeldingen met elektronendichtheid omvatten willekeurig verdeelde stippen en ringen met verschillende intensiteiten.

"We ontdekten dat het mogelijk is om selectief de laadtoestanden van individuele BN-defecten te manipuleren door spanningspulsen toe te passen met onze STM-tip, ' zegt Velasco.

De nieuwe techniek biedt een waardevol hulpmiddel voor de vele wetenschappers in de 2D-materialengemeenschap die h-BN gebruiken. Het kan ook worden gebruikt om andere isolatoren te bestuderen, zoals diamant met stikstof-leegstandcentra - een populair systeem voor detectie op nanoschaal.