Schematisk illustration av en STEM-sond som skannar över gränssnittet mellan två nickelatföreningar, med de spridda elektronernas natur som förändras när materialets elektroniska fas går från att vara metallisk till att vara isolerande. Bildkredit:Duncan T.L. Alexander. Atomstrukturmodell renderad med VESTA. Kredit:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)
Fasövergångar är ett centralt fenomen inom fysik. Trots att det låter tekniskt, de är faktiskt något vi alla upplever i vardagen:is som smälter till flytande vatten, eller hett vatten som avdunstar som ånga. Fast, flytande, och gas är tre välkända "faser" och, när den ena förvandlas till en annan, det är en fasövergång.
Nickelatoxider av sällsynta jordartsmetaller, även kallade nickelater, har väckt stort intresse från forskare eftersom de visar en elektronisk fasövergång, som kan utnyttjas i framtida elektroniska enheter. Denna speciella fasövergång består av att gå från ett metalliskt tillstånd som leder elektricitet till ett elektriskt isolerande tillstånd när temperaturen sjunker.
Bakom detta beteende ligger en stark växelverkan mellan de elektroniska egenskaperna hos dessa föreningar och deras "gitter"-struktur - det välordnade arrangemanget av atomer som bildar en kristall. Dock, avslöja den sanna naturen hos denna metall till isolator fasövergång i nickelater, och att kunna kontrollera den för potentiella elektroniska enheter, kräver att man vet hur varje karakteristisk fas uppstår och utvecklas under övergången.
Nu, forskare från EPFL och universitetet i Genève har kombinerat två banbrytande tekniker för att uppnå nanoskala kartläggning av varje distinkt elektronisk fas. Publicerad i tidskriften Nanobokstäver , studien leddes av Dr. Duncan Alexander vid EPFL:s School of Basic Sciences och gruppen av professor Jean-Marc Triscone vid universitetet i Genève.
Studiens första författare, Dr Bernat Mundet, säger:"För att till fullo förstå fysiken som visas av nya elektroniska material och att kontrollera dem i enheter, nya karakteriseringstekniker i atomär skala krävs. I detta avseende vi har för första gången kunnat exakt bestämma de metalliska och isolerande områdena i atomärt konstruerade enheter gjorda av två nickelatföreningar med nära atomär upplösning. Vi tror att vår metod kommer att hjälpa till att bättre förstå fysiken i denna viktiga familj av elektroniska material."
STEM-bild med atomupplösning som visar den perfekta kristallstrukturen hos en tunn nickelatfilm, färgad för att representera de två föreningarna. Kredit:Bernat Mundet
Forskarna kombinerade aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) med monokromatisk elektronenergiförlustspektroskopi (EELS).
I STEM, bilder bildas genom att skanna en elektronstråle, fokuserad till en plats på cirka 1 Ångström i storlek, över ett tillräckligt tunt exemplar – i det här fallet en bit nickelat – och samla in de överförda och spridda elektronerna med hjälp av ringformiga detektorer. Även om det är tekniskt krävande, denna teknik gör det möjligt för forskare att exakt visualisera en kristalls gitterstruktur, atomrad för atomrad.
För den andra tekniken, ÅL, de elektroner som passerar genom det centrala hålet i den ringformiga detektorn samlas istället upp. Vissa av dessa elektroner har tidigare förlorat en del energi på grund av deras interaktion med nickelatkristallens Ni-atomer. Genom att mäta hur denna energiskillnad förändras, vi kan bestämma nickelatföreningens metalliska eller isolerande tillstånd.
Eftersom alla elektroner är utspridda och samlade samtidigt, forskarna kunde korrelera de elektroniska tillståndsförändringarna med de associerade gitterpositionerna i de olika nickelatföreningarna. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att kartlägga, för första gången, den rumsliga konfigurationen av deras metalliska eller isolerande områden, nå en mycket hög rumslig upplösning på cirka 3,5 Ångström (0,35 nanometer). Tekniken kommer att vara ett värdefullt verktyg för att studera och vägleda atomkonstruktionen av dessa nya elektroniska material.
"De senaste elektronmikroskopen ger oss en fantastisk förmåga att mäta en mängd olika material fysiska egenskaper med atomär eller nanometrisk rumslig upplösning, " säger Duncan Alexander. "Här, genom att pressa kapaciteten hos EPFL:s Titan Themis-mikroskop till det yttersta, vi tar ett spännande steg framåt på detta område, genom att bevisa att vi kan mäta förändringarna i elektroniskt tillstånd över en tunnfilmsstruktur exakt gjord av två olika nickelater. Vårt tillvägagångssätt öppnar nya vägar för att undersöka fysiken hos dessa nickelatföreningar, som har väckt forskningsintresse över hela världen."
"Kombinationen av fantastiska konstgjorda material som visar en metall-till-isolator-övergång och mycket avancerad elektronmikroskopi har möjliggjort oöverträffade detaljerade undersökningar av deras elektroniska egenskaper, " tillägger Jean-Marc Triscone. "I synnerhet, det avslöjade, på atomär skala, om materialet är ledande eller isolerande - en viktig fråga för att bättre förstå dessa material som kan användas i framtida datoransatser."
