Comprendre le comportement des matériaux à leurs interfaces - où ils se connectent et interagissent avec d'autres matériaux - est essentiel pour concevoir une variété de dispositifs utilisés pour traiter, stocker et transférer des informations. Des appareils tels que des transistors, la mémoire magnétique et les lasers pourraient tous s'améliorer à mesure que les chercheurs approfondissent la nature de ces liaisons, qui affectent les propriétés de conductivité et de magnétisme des matériaux.

Dans cet effort, Steven May, Doctorat., et ses collègues du Collège d'ingénierie de l'Université Drexel, avec des chercheurs de l'Université de la Saskatchewan et Lawrence Berkeley, Brookhaven et Argonne National Labs ont récemment démontré une nouvelle approche pour examiner, avec une précision de couche atomique, les changements dans le comportement des électrons aux interfaces entre deux matériaux.

En particulier, l'approche donne un aperçu de la façon dont le degré de liaison covalente et ionique entre les atomes de métal et d'oxygène est modifié lors du passage d'un matériau à l'autre.

La démonstration de cette méthode, qui vient d'être publié dans la revue Matériaux avancés , fournit aux scientifiques une ressource puissante pour libérer le potentiel des matériaux d'ingénierie au niveau atomique.

"Ces interfaces peuvent conférer de nouvelles fonctionnalités aux piles de matériaux, mais étudier directement comment les propriétés des électrons aux interfaces diffèrent des électrons non interfaciaux nécessite des techniques qui peuvent résoudre spatialement les propriétés à travers les couches atomiques individuelles, " a dit Mai, professeur au Département de science et génie des matériaux de Drexel. "Par exemple, une mesure de la conductivité d'un matériau fournit des informations sur sa capacité moyenne à conduire l'électricité, mais ne révèle pas de différences entre la façon dont les électrons se comportent aux interfaces et loin des interfaces.

La liaison ionique et covalente est un concept central de la science des matériaux qui décrit comment les atomes sont maintenus ensemble pour former des matériaux solides. Dans une liaison ionique, les électrons d'un atome sont transférés à un autre atome. L'attraction entre l'ion chargé positivement résultant - cation - et l'ion chargé négativement - anion - est ce qui rapproche les atomes, créant ainsi un lien. Inversement, une liaison covalente se forme lorsque deux atomes partagent leurs électrons au lieu de les transférer complètement.

Comprendre le comportement des électrons dans une liaison atomique est un facteur important pour comprendre ou prédire le comportement des matériaux. Par exemple, les matériaux avec des liaisons ioniques ont tendance à être des isolants qui bloquent le flux d'électricité; tandis que les matériaux avec des liaisons covalentes peuvent être électriquement conducteurs.

Mais de nombreux matériaux contiennent des liaisons qui sont mieux décrites comme un mélange d'ions ioniques et covalents. Dans ces matériaux, le degré auquel la liaison est ionique ou covalente influence fortement ses propriétés électroniques.

"Les détails de ce mélange dépendent de quelles orbitales électroniques proviennent les électrons de la plus haute énergie, ceux qui forment les liaisons, " dit May. " Le caractère orbital de ces électrons, à son tour, a des effets profonds sur leur comportement électronique et magnétique. Alors que les scientifiques ont développé des approches informatiques pour décrire à quel point une liaison est covalente ou ionique, mesurer expérimentalement comment le caractère orbital des électrons ou les changements de covalence à travers les interfaces reste un défi important dans la recherche sur les matériaux."

L'approche de l'équipe pour effectuer cette mesure expérimentale implique une technique appelée réflectivité des rayons X résonants. Des expériences comme celle-ci ne peuvent être menées que dans les grandes installations de rayonnement X synchrotron, tels que ceux exploités par le Département de l'énergie des États-Unis. Ces immenses laboratoires génèrent des rayons X pour sonder la structure des matériaux.

Dans une expérience de réflectivité, les chercheurs analysent le schéma des rayons X qui sont diffusés à partir du matériau pour comprendre la densité électronique relative au sein d'un matériau. The reflectivity data can be used to determine the concentration of electrons, 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, Doctorat., 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."