Comprender el comportamiento de los materiales en sus interfaces, donde se conectan e interactúan con otros materiales, es fundamental para diseñar una variedad de dispositivos utilizados para procesar, almacenar y transferir información. Dispositivos como transistores, La memoria magnética y los láseres podrían mejorar a medida que los investigadores profundicen en la naturaleza de estos enlaces, que afectan las propiedades de conductividad y magnetismo de los materiales.

En este esfuerzo, Steven May, Doctor., y sus colegas de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel, junto con investigadores de la Universidad de Saskatchewan y Lawrence Berkeley, Brookhaven y Argonne National Labs han demostrado recientemente un nuevo enfoque para examinar, con precisión de capa atómica, cambios en el comportamiento de los electrones en las interfaces entre dos materiales.

En particular, el enfoque permite vislumbrar cómo se altera el grado de enlace covalente e iónico entre los átomos de metal y oxígeno al pasar de un material al siguiente.

La demostración de este método, que fue publicado recientemente en la revista Materiales avanzados , proporciona a los científicos un recurso poderoso para desbloquear el potencial de los materiales de ingeniería a nivel atómico.

"Estas interfaces pueden impartir nuevas funciones a las pilas de material, pero estudiar directamente cómo las propiedades de los electrones en las interfaces difieren de los electrones no interfaciales requiere técnicas que puedan resolver espacialmente las propiedades en las capas atómicas individuales, "dijo May, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel. "Por ejemplo, una medición de la conductividad de un material proporciona información sobre su capacidad promedio para conducir electricidad, pero no revela diferencias entre cómo se comportan los electrones en las interfaces y lejos de las interfaces ".

El enlace iónico y covalente es un concepto central en la ciencia de los materiales que describe cómo los átomos se mantienen unidos para formar materiales sólidos. En un enlace iónico, los electrones de un átomo se transfieren a otro átomo. La atracción entre el ion (catión) cargado positivamente resultante y el ion (anión) cargado negativamente es lo que une a los átomos, creando así un vínculo. En cambio, se forma un enlace covalente cuando dos átomos comparten sus electrones entre sí, en lugar de transferirlos por completo.

Comprender el comportamiento de los electrones en un enlace atómico es un factor importante para comprender o predecir el comportamiento de los materiales. Por ejemplo, los materiales con enlaces iónicos tienden a ser aislantes que bloquean el flujo de electricidad; mientras que los materiales con enlaces covalentes pueden ser conductores de electricidad.

Pero muchos materiales contienen enlaces que se describen mejor como una mezcla de iónicos y covalentes. En esos materiales, el grado en que el enlace es iónico o covalente influye fuertemente en sus propiedades electrónicas.

"Los detalles de esta mezcla dependen de qué orbitales de electrones provienen de los electrones de mayor energía, los que forman los enlaces, "May dijo." El carácter orbital de estos electrones, Sucesivamente, tiene efectos profundos en su comportamiento electrónico y magnético. Si bien los científicos han desarrollado enfoques computacionales para describir cuán covalente o iónico es un enlace, medir experimentalmente cómo el carácter orbital de los electrones o los cambios en la covalencia a través de las interfaces sigue siendo un desafío importante en la investigación de materiales ".

El enfoque del equipo para realizar esta medición experimental implica una técnica llamada reflectividad de rayos X resonantes. Experimentos como este solo se pueden realizar en las grandes instalaciones de rayos X de sincrotrón, como los operados por el Departamento de Energía de EE. UU. Estos laboratorios masivos generan radiación de rayos X para sondear la estructura de los materiales.

En un experimento de reflectividad, Los investigadores analizan el patrón de rayos X que se dispersan del material para comprender la densidad relativa de electrones dentro de un material. Los datos de reflectividad se pueden utilizar para determinar la concentración de electrones, en relación con su distancia de la superficie del 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, Doctor., 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."