Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har gjort de första direkta observationerna av en endimensionell gräns som skiljer två olika, atomtunna material, möjliggör studier av långteoretiserade fenomen vid dessa gränssnitt.

Teoretiker har förutspått förekomsten av spännande egenskaper vid endimensionella (1-D) gränser mellan två kristallina komponenter, men experimentell verifiering har undgått forskare eftersom atomärt exakta 1-D-gränssnitt är svåra att konstruera.

"Medan många teoretiska studier av sådana 1-D-gränssnitt förutspår slående beteenden, i vårt arbete har vi tillhandahållit den första experimentella valideringen av dessa gränssnittsegenskaper, "sa ORNL:s An-Ping Li.

Den nya Naturkommunikation studien bygger på arbete av forskare från ORNL och University of Tennessee som publicerades i Science tidigare i år som introducerade en metod för att odla olika tvådimensionella material - grafen och bornitrid - till ett enda lager bara en atom tjockt.

Teamets materialtillväxtteknik låste upp förmågan att studera 1-D-gränsen och dess elektroniska egenskaper i atomär upplösning. Med hjälp av skanningstunnelmikroskopi, spektroskopi och densitetsfunktionella beräkningar, forskarna fick först en heltäckande bild av rumsliga och energetiska fördelningar av 1-D-gränssnittstillstånden.

"I tredimensionella (3D) system, gränssnittet är inbäddat så att du inte kan få en verklig vy av hela gränssnittet – du kan bara titta på en projektion av det planet, sa Jewook Park, ORNL postdoktor och huvudförfattare till arbetet. "I vårat fall, 1-D-gränssnittet är helt tillgängligt för studier i verkligheten. "

"Kombinationen av scanning tunnelmikroskopi och de första principteoriberäkningarna tillåter oss att särskilja den kemiska naturen hos gränsen och utvärdera effekterna av orbital hybridisering vid korsningen, "sa ORNL:s Mina Yoon, en teoretiker i laget.

Forskarnas observationer avslöjade ett mycket begränsat elektriskt fält vid gränssnittet och gav en möjlighet att undersöka ett spännande fenomen som kallas en "polär katastrof, "som förekommer i 3D-gränssnitt. Denna effekt kan orsaka atom- och elektronreorganisering vid gränssnittet för att kompensera för det elektrostatiska fältet som beror på materialens olika polariteter.

"Detta är första gången vi har kunnat studera den polära diskontinuitetseffekten i en 1-D-gräns, " sa Li.

Även om forskarna fokuserade på att få en grundläggande förståelse av systemet, de noterar att deras studie kan kulminera i applikationer som drar fördel av 1-D-gränssnittet.

"Till exempel, 1D-kedjan av elektroner skulle kunna utnyttjas för att passera en ström längs gränsen, "Sa Li." Det kan vara användbart för elektronik, speciellt för ultratunna eller flexibla enheter."

Teamet planerar att fortsätta att undersöka olika aspekter av gränsen inklusive dess magnetiska egenskaper och effekten av dess stödjande substrat.

Studien publiceras som "Spatialt upplösta endimensionella gränstillstånd i grafen-hexagonala bornitrid plana heterostrukturer."