Fysiker från FOM Foundation och Leiden University har hittat ett sätt att bättre förstå egenskaperna hos konstgjorda "smarta" material. Deras metod avslöjar hur staplade lager i ett sådant material samverkar för att föra materialet till en högre nivå. Gruppledaren Sense Jan van der Molen och hans forskargrupp publicerar sina resultat den 26 november 2015 i Naturkommunikation .

Kan vi designa smarta material med helt nya egenskaper? Ett mycket lovande sätt att göra detta på är att stapla extremt tunna lager – bara en atom tjocka – i ett tredimensionellt material; en sorts smörgåstårta. Intressant nog, egenskaperna hos dessa kompositmaterial bestäms inte bara av egenskaperna hos de enskilda skikten. Samspelet mellan lagren spelar också en betydande roll. Följaktligen, ett sådant skiktat material kan ha mycket andra egenskaper än man kan förvänta sig baserat på kombinationen av egenskaper hos de enskilda skikten; helheten är mer än summan av delarna. Fysiker från FOM och Leiden University har utvecklat en teknik som gör att de kan studera interaktionen mellan materialskikten.

Bandstruktur

De elektroniska egenskaperna hos ett material, uttryckt i vad som kallas bandstrukturen, bestämma hur materialet beter sig. Bandstrukturen berättar vilken energi en elektron i materialet kan ha och hur denna energi beror på elektronens hastighet. Det finns tillåtna energier ('band') och förbjudna energier ('bandluckor'). En stor del av denna bandstruktur var tidigare svår att mäta. Förstaförfattaren Johannes Jobst och hans kollegor övervann problemet genom att använda och uppgradera ett speciellt mikroskop:ett lågenergielektronmikroskop (LEEM).

Mikroskopet avfyrar elektroner med en specifik energi mot det undersökta materialet. Forskare mäter därefter hur många elektroner av olika energier som reflekteras. När en inkommande elektron möter ett ledigt tillstånd i materialet, det reflekteras inte. Omvänt, när det inte finns några fria tillstånd med energin från den inkommande elektronen, reflektionshastigheten är hög. Med denna metod, forskarna kan mäta vilka ockuperade och lediga elektrontillstånd som finns i det skiktade materialet och följaktligen hur bandstrukturen ser ut.

Genom att göra detta med olika högar av grafen, forskarna lyckades avslöja hur banden förknippade med de olika lagren interagerar med varandra. Metoden har en 100, 000 gånger högre rumslig upplösning än konventionella metoder. Detta är viktigt eftersom de nuvarande skiktade materialen har en extremt liten yta (många mindre än en kvadratmillimeter).

Designermaterial

Så snart forskarna har en god förståelse för interaktionen, de kanske kan ta nästa steg:"Vi vill kunna välja vissa egenskaper i förväg och sedan stapla skikten på ett sådant sätt att vi realiserar det önskade materialet, " säger Sense Jan van der Molen. "Sådana designermaterial är det långsiktiga målet."