Nanoskaliga defekter är oerhört viktiga för att forma det elektriska, optisk, och mekaniska egenskaper hos ett material. Till exempel, en defekt kan donera laddning eller sprida elektroner som rör sig från en punkt till en annan. Dock, observera individuella defekter i bulkisolatorer, en allestädes närvarande och viktig komponent för nästan alla enheter, har förblivit svårfångad:det är mycket lättare att avbilda den detaljerade elektriska strukturen hos ledare än isolatorer.

Nu, Berkeley Lab-forskare har visat en ny metod som kan användas för att studera individuella defekter i ett allmänt använt bulkisoleringsmaterial, hexagonal bornitrid (h-BN), genom att använda scanning tunneling microscopy (STM).

"I vanliga fall, STM används för att studera ledare och kan inte användas för att studera bulkisolatorer, eftersom elektrisk ström vanligtvis inte flyter genom en isolator, " förklarar Mike Crommie, fysiker vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor vid UC Berkeley, i vars labb detta arbete utfördes. Hans team övervann detta hinder genom att täcka h-BN med ett enda ark grafen.

"Detta tillåter oss att visualisera de laddade defekterna inbäddade i den underliggande BN-kristallen, " säger Crommie. "I huvudsak, vi använder grafen som ett fönster för att titta in i isolatorn."

Lägger till Jairo Velasco Jr, också en medlem av Materials Sciences Division och en ledande medförfattare till detta arbete, "I motsats till tidigare studier som var begränsade till rumsligt medelvärde för defektbeteende, vårt experiment visualiserar individuella punktdefekter inbäddade i en BN-kristall med precision i nanoskala. STM tillåter detaljer om en defekts elektroniska egenskaper att extraheras genom att direkt detektera hur elektroner i grafen svarar på defekten i den underliggande bulkisolatorn."

Grafensyntes och karakterisering, utförs på Molecular Foundry, en användaranläggning för DOE Office of Science, hjälpte forskarna att visualisera och till och med manipulera individuella defekter i den underliggande bulk-BN-isolatorn. Nya funktioner i STM topografiska och energiberoende elektrondensitetsbilder inkluderade slumpmässigt fördelade prickar och ringar med varierande intensitet.

"Vi upptäckte att det är möjligt att selektivt manipulera laddningstillstånden för individuella BN-defekter genom att applicera spänningspulser med vår STM-spets, " säger Velasco.

Den nya tekniken är ett värdefullt verktyg för de många forskare inom 2D-materialgemenskapen som använder h-BN. Det kan också användas för att studera andra isolatorer som diamant med kväve-vakanscenter - ett populärt system för avkänning i nanoskala.