Comprendere il comportamento dei materiali alle loro interfacce, dove si connettono e interagiscono con altri materiali, è fondamentale per progettare una varietà di dispositivi utilizzati per elaborare, memorizzare e trasferire informazioni. Dispositivi come transistor, la memoria magnetica e i laser potrebbero migliorare man mano che i ricercatori approfondiscono la natura di questi legami, che influenzano le proprietà di conduttività e magnetismo dei materiali.

In questo sforzo, Steven maggio, dottorato di ricerca, e i suoi colleghi del College of Engineering della Drexel University, insieme a ricercatori dell'Università del Saskatchewan e Lawrence Berkeley, Brookhaven e Argonne National Labs hanno recentemente dimostrato un nuovo approccio per esaminare, con la precisione dello strato atomico, i cambiamenti nel comportamento degli elettroni alle interfacce tra due materiali.

In particolare, l'approccio fornisce uno sguardo su come il grado di legame covalente e ionico tra il metallo e gli atomi di ossigeno viene alterato nel passaggio da un materiale all'altro.

La dimostrazione di questo metodo, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Materiale avanzato , fornisce agli scienziati una potente risorsa per sbloccare il potenziale dei materiali ingegneristici a livello atomico.

"Queste interfacce possono conferire nuove funzionalità agli stack di materiale, ma studiare direttamente come le proprietà degli elettroni alle interfacce differiscono dagli elettroni non interfacciali richiede tecniche in grado di risolvere spazialmente le proprietà attraverso i singoli strati atomici, " disse maggio, un professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali a Drexel. "Per esempio, una misurazione della conduttività di un materiale fornisce informazioni sulla sua capacità media di condurre elettricità ma non rivela differenze tra il comportamento degli elettroni alle interfacce e lontano dalle interfacce".

Il legame ionico e covalente è un concetto centrale nella scienza dei materiali che descrive come gli atomi sono tenuti insieme per formare materiali solidi. In un legame ionico, gli elettroni di un atomo vengono trasferiti ad un altro atomo. L'attrazione tra lo ione caricato positivamente, il catione, e lo ione caricato negativamente, l'anione, è ciò che unisce gli atomi, creando così un legame. Al contrario, un legame covalente si forma quando due atomi condividono i loro elettroni tra loro, invece di trasferirli completamente.

Comprendere il comportamento degli elettroni in un legame atomico è un fattore importante per comprendere o prevedere il comportamento dei materiali. Per esempio, i materiali con legami ionici tendono ad essere isolanti che bloccano il flusso di elettricità; mentre i materiali con legami covalenti possono essere elettricamente conduttivi.

Ma molti materiali contengono legami che sono meglio descritti come una miscela di ionico e covalente. In quei materiali, il grado in cui il legame è ionico o covalente influenza fortemente le sue proprietà elettroniche.

"I dettagli di questa miscela dipendono da quali orbitali elettronici provengono gli elettroni a più alta energia, quelli che formano i legami, " disse May. "Il carattere orbitale di questi elettroni, a sua volta, ha effetti profondi sul loro comportamento elettronico e magnetico. Mentre gli scienziati hanno sviluppato approcci computazionali per descrivere quanto sia covalente o ionico un legame, misurare sperimentalmente come il carattere orbitale degli elettroni o i cambiamenti nella covalenza tra le interfacce rimane una sfida significativa nella ricerca sui materiali".

L'approccio del team per effettuare questa misurazione sperimentale prevede una tecnica chiamata riflettività risonante dei raggi X. Esperimenti come questo possono essere condotti solo nelle grandi strutture a raggi X di sincrotrone, come quelli gestiti dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Questi enormi laboratori generano radiazioni a raggi X per sondare la struttura dei materiali.

In un esperimento di riflettività, i ricercatori analizzano lo schema dei raggi X che vengono dispersi dal materiale per comprendere la relativa densità elettronica all'interno di un materiale. I dati di riflettività possono essere utilizzati per determinare la concentrazione di elettroni, in relazione alla loro distanza dalla superficie del materiale.

Sintonizzando la lunghezza d'onda dei raggi X per eccitare le transizioni elettroniche specifiche dei singoli elementi nella pila di materiale, 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, dottorato di ricerca, 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.

"Andando avanti, 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."