Les défauts à l'échelle nanométrique sont extrêmement importants dans la formation de l'électricité, optique, et les propriétés mécaniques d'un matériau. Par exemple, un défaut peut donner une charge ou disperser des électrons se déplaçant d'un point à un autre. Cependant, observer les défauts individuels des isolateurs en vrac, un composant omniprésent et essentiel à presque tous les appareils, est resté insaisissable :il est beaucoup plus facile d'imaginer la structure électrique détaillée des conducteurs que celle des isolants.

Maintenant, Les chercheurs du Berkeley Lab ont démontré une nouvelle méthode qui peut être appliquée pour étudier les défauts individuels dans un matériau isolant en vrac largement utilisé, nitrure de bore hexagonal (h-BN), en utilisant la microscopie à effet tunnel (STM).

"Normalement, STM est utilisé pour étudier les conducteurs et ne peut pas être utilisé pour étudier les isolateurs en vrac, étant donné que le courant électrique ne circule généralement pas à travers un isolant, " explique Mike Crommie, physicien à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur à l'UC Berkeley, dans le laboratoire duquel ce travail a été effectué. Son équipe a surmonté cet obstacle en coiffant le h-BN avec une seule feuille de graphène.

"Cela nous permet de visualiser les défauts chargés incrustés dans le cristal de BN sous-jacent, " dit Crommie. " Essentiellement, nous utilisons le graphène comme fenêtre pour regarder dans l'isolant."

Ajoute Jairo Velasco Jr, également membre de la Division Sciences des Matériaux et co-auteur principal de ce travail, « Contrairement aux études précédentes qui se limitaient à une moyenne spatiale du comportement des défauts, notre expérience visualise des défauts ponctuels individuels intégrés à l'intérieur d'un cristal de BN avec une précision à l'échelle nanométrique. Le STM permet d'extraire les détails des propriétés électroniques d'un défaut en détectant directement comment les électrons du graphène réagissent au défaut dans l'isolant en vrac sous-jacent."

Synthèse et caractérisation du graphène, réalisée à la Fonderie Moléculaire, une installation utilisateur du DOE Office of Science, a aidé les chercheurs à visualiser et même à manipuler des défauts individuels dans l'isolant BN en vrac sous-jacent. Les nouvelles caractéristiques des images topographiques et de densité électronique dépendantes de l'énergie STM comprenaient des points et des anneaux répartis de manière aléatoire d'intensités variables.

"Nous avons découvert qu'il est possible de manipuler sélectivement les états de charge des défauts BN individuels en appliquant des impulsions de tension avec notre pointe STM, " dit Velasco.

La nouvelle technique fournit un outil précieux pour les nombreux scientifiques de la communauté des matériaux 2D qui utilisent le h-BN. Il peut également être utilisé pour étudier d'autres isolants tels que le diamant avec des centres de lacunes d'azote, un système populaire pour la détection à l'échelle nanométrique.