Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont fait les premières observations directes d'une frontière unidimensionnelle séparant deux matériaux atomiques minces, permettant des études de phénomènes longtemps théorisés à ces interfaces.

Les théoriciens ont prédit l'existence de propriétés intrigantes aux limites unidimensionnelles (1-D) entre deux composants cristallins, mais la vérification expérimentale a échappé aux chercheurs car les interfaces 1-D atomiquement précises sont difficiles à construire.

"Alors que de nombreuses études théoriques sur de telles interfaces 1D prédisent des comportements frappants, dans notre travail, nous avons fourni la première validation expérimentale de ces propriétés d'interface, " a déclaré An-Ping Li de l'ORNL.

Le nouveau Communication Nature L'étude s'appuie sur les travaux de scientifiques de l'ORNL et de l'Université du Tennessee publiés dans Science plus tôt cette année, qui ont introduit une méthode pour faire croître différents matériaux bidimensionnels - le graphène et le nitrure de bore - en une seule couche d'un seul atome d'épaisseur.

La technique de croissance des matériaux de l'équipe a permis d'étudier la limite 1-D et ses propriétés électroniques en résolution atomique. En utilisant la microscopie à effet tunnel, spectroscopie et calculs de densité fonctionnelle, les chercheurs ont d'abord obtenu une image complète des distributions spatiales et énergétiques des états d'interface 1-D.

"Dans les systèmes tridimensionnels (3-D), l'interface est intégrée, vous ne pouvez donc pas obtenir une vue dans l'espace réel de l'interface complète - vous ne pouvez regarder qu'une projection de ce plan, " a déclaré Jewook Park, Chercheur postdoctoral de l'ORNL et auteur principal de l'ouvrage. "Dans notre cas, l'interface 1-D est complètement accessible à l'étude de l'espace réel."

"La combinaison de la microscopie à effet tunnel et des calculs de la théorie des premiers principes nous permet de distinguer la nature chimique de la frontière et d'évaluer les effets de l'hybridation orbitale à la jonction, " a déclaré Mina Yoon de l'ORNL, un théoricien dans l'équipe.

Les observations des chercheurs ont révélé un champ électrique très confiné à l'interface et ont permis d'étudier un phénomène intrigant connu sous le nom de « catastrophe polaire, " qui se produit dans les interfaces d'oxyde 3-D. Cet effet peut provoquer une réorganisation atomique et électronique à l'interface pour compenser le champ électrostatique résultant des différentes polarités des matériaux.

"C'est la première fois que nous avons pu étudier l'effet de discontinuité polaire dans une frontière 1-D, " dit Li.

Bien que les chercheurs se soient concentrés sur l'acquisition d'une compréhension fondamentale du système, ils notent que leur étude pourrait aboutir à des applications qui tirent parti de l'interface 1-D.

"Par exemple, la chaîne d'électrons 1-D pourrait être exploitée pour faire passer un courant le long de la frontière, " dit Li. " Cela pourrait être utile pour l'électronique, en particulier pour les appareils ultra-minces ou flexibles."

L'équipe prévoit de continuer à examiner différents aspects de la frontière, y compris ses propriétés magnétiques et l'effet de son substrat de support.

L'étude est publiée sous le titre "États limites unidimensionnels résolus dans l'espace dans les hétérostructures planaires graphène-nitrure de bore hexagonal".