Att förstå materialens beteende i deras gränssnitt - där de ansluter till och interagerar med andra material - är centralt för att konstruera en mängd olika enheter som används för att bearbeta, lagra och överföra information. Enheter som transistorer, magnetminne och lasrar kan alla förbättras när forskare fördjupar sig i dessa bindningar, som påverkar materialens egenskaper för konduktivitet och magnetism.

I detta försök, Steven May, Ph.D., och hans kollegor från Drexel University's College of Engineering, tillsammans med forskare från University of Saskatchewan och Lawrence Berkeley, Brookhaven och Argonne National Labs har nyligen visat ett nytt tillvägagångssätt för att undersöka-med atomskiktsprecision-förändringar i elektroners beteende vid gränssnitten mellan två material.

Särskilt, tillvägagångssättet ger en inblick i hur graden av kovalent och jonisk bindning mellan metall- och syreatomer förändras när man rör sig från ett material till nästa.

Demonstrationen av denna metod, som nyligen publicerades i tidningen Avancerade material , ger forskare en kraftfull resurs för att låsa upp potentialen för tekniska material på atomnivå.

"Dessa gränssnitt kan ge materialfacken ny funktionalitet, men för att direkt studera hur egenskaperna hos elektroner vid gränssnitten skiljer sig från de icke-gränssnittselektroner krävs tekniker som rumsligt kan lösa egenskaper över enskilda atomlager, "sa maj, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Drexel. "Till exempel, en mätning av ett materials konduktivitet ger information om dess genomsnittliga förmåga att leda elektricitet men avslöjar inte skillnader mellan hur elektronerna beter sig vid gränssnitten och bort från gränssnitten. "

Jonisk och kovalent bindning är ett centralt begrepp inom materialvetenskap som beskriver hur atomer hålls samman för att bilda fasta material. I en jonbindning, elektroner från en atom överförs till en annan atom. Attraktionen mellan den resulterande positivt laddade jonen - katjonen - och den negativt laddade jonen - anjonen - är det som drar ihop atomerna, på så sätt skapa ett band. Omvänt, en kovalent bindning bildas när två atomer delar sina elektroner med varandra - istället för att helt överföra dem.

Att förstå elektronbeteende i en atombindning är en viktig faktor för att förstå eller förutsäga materialens beteende. Till exempel, material med jonbindningar tenderar att vara isolatorer som blockerar flödet av elektricitet; medan material med kovalenta bindningar kan vara elektriskt ledande.

Men många material innehåller bindningar som bäst beskrivs som en blandning av joniskt och kovalent. I dessa material, graden i vilken bindningen är jonisk eller kovalent påverkar starkt dess elektroniska egenskaper.

"Detaljerna i denna blandning beror på vilka elektronorbitaler elektronerna med högst energi - de som bildar bindningarna - kommer från, "May sa." Orbitalkaraktären hos dessa elektroner, i tur och ordning, har djupa effekter på deras elektroniska och magnetiska beteende. Medan forskare har utvecklat beräkningsmetoder för att beskriva hur kovalent eller joniskt en bindning är, experimentellt mäta hur elektronernas orbital karaktär eller förändringar i kovalens över gränssnitt är fortfarande en betydande utmaning i materialforskning. "

Teamets tillvägagångssätt för att göra denna experimentella mätning innebär en teknik som kallas resonant röntgenreflektivitet. Experiment som detta kan endast utföras i de stora synkrotronröntgenanläggningarna, som de som drivs av U.S. Department of Energy. Dessa massiva laboratorier genererar röntgenstrålning för att undersöka materialstrukturen.

I ett reflektivitetsexperiment, forskare analyserar mönstret av röntgenstrålar som sprids från materialet för att förstå den relativa elektrontätheten i ett material. Reflektivitetsdata kan användas för att bestämma koncentrationen av elektroner, in relation to their distance from the surface of the material.

By tuning the wavelength of the X-rays to excite electronic transitions specific to individual elements in the material stack, the team was able to measure each element's electron contributions to their shared bond—thus, 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, Ph.D., 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.

"Moving forward, 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."