I difetti su nanoscala sono enormemente importanti nel modellare l'elettrico, ottico, e proprietà meccaniche di un materiale. Per esempio, un difetto può donare carica o disperdere elettroni spostandosi da un punto all'altro. Però, osservando i singoli difetti negli isolatori sfusi, un componente onnipresente ed essenziale per quasi tutti i dispositivi, è rimasto sfuggente:è molto più facile immaginare la struttura elettrica dettagliata dei conduttori che degli isolanti.

Ora, I ricercatori del Berkeley Lab hanno dimostrato un nuovo metodo che può essere applicato per studiare i singoli difetti in un materiale isolante sfuso ampiamente utilizzato, nitruro di boro esagonale (h-BN), utilizzando la microscopia a effetto tunnel (STM).

"Normalmente, STM viene utilizzato per studiare i conduttori e non può essere utilizzato per studiare gli isolanti sfusi, poiché la corrente elettrica in genere non scorre attraverso un isolante, " spiega Mike Crommie, fisico presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore alla UC Berkeley, nel cui laboratorio è stato condotto questo lavoro. Il suo team ha superato questo ostacolo ricoprendo l'h-BN con un singolo foglio di grafene.

"Questo ci permette di visualizzare i difetti carichi incorporati nel cristallo BN sottostante, "Crommie dice. "Essenzialmente, usiamo il grafene come una finestra per guardare nell'isolante."

Aggiunge Jairo Velasco Jr, anche membro della Divisione di Scienze dei Materiali e coautore principale di questo lavoro, "In contrasto con gli studi precedenti che erano limitati alla media spaziale del comportamento dei difetti, il nostro esperimento visualizza i difetti dei singoli punti incorporati all'interno di un cristallo BN con precisione su scala nanometrica. L'STM consente di estrarre i dettagli delle proprietà elettroniche di un difetto rilevando direttamente come gli elettroni nel grafene rispondono al difetto nell'isolante di massa sottostante".

Sintesi e caratterizzazione del grafene, eseguita presso la Fonderia Molecolare, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, ha aiutato i ricercatori a visualizzare e persino a manipolare i singoli difetti nell'isolante BN sfuso sottostante. Le nuove funzionalità delle immagini topografiche STM e della densità degli elettroni dipendenti dall'energia includevano punti e anelli distribuiti casualmente di intensità variabile.

"Abbiamo scoperto che è possibile manipolare selettivamente gli stati di carica dei singoli difetti BN applicando impulsi di tensione con la nostra punta STM, "dice Velasco.

La nuova tecnica fornisce uno strumento prezioso per i numerosi scienziati della comunità dei materiali 2D che utilizzano h-BN. Può anche essere usato per studiare altri isolanti come il diamante con centri di disponibilità di azoto, un sistema popolare per il rilevamento su scala nanometrica.