Illustrazione schematica di una sonda STEM che esegue la scansione attraverso l'interfaccia di due composti nichelati, con la natura degli elettroni dispersi che cambia man mano che la fase elettronica del materiale passa dall'essere metallico all'isolante. Credito immagine:Duncan T.L. Alessandro. Modello di struttura atomica reso utilizzando VESTA. Credito:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)
Le transizioni di fase sono un fenomeno centrale nelle scienze fisiche. Nonostante sia tecnico-suonante, sono in realtà qualcosa che tutti noi sperimentiamo nella vita di tutti i giorni:ghiaccio che si scioglie in acqua liquida, o acqua calda che evapora sotto forma di vapore. Solido, liquido, e gas sono tre "fasi" ben note e, quando uno si trasforma in un altro, questa è una transizione di fase.
Ossidi di nichel delle terre rare, chiamati anche nichelati, hanno suscitato molto interesse da parte dei ricercatori perché mostrano una transizione di fase elettronica, che potrebbero essere sfruttati in futuri dispositivi elettronici. Questa particolare transizione di fase consiste nel passare da uno stato metallico che conduce elettricità a uno stato elettricamente isolante al diminuire della temperatura.
Dietro questo comportamento c'è una forte interazione tra le proprietà elettroniche di questi composti e la loro struttura "a reticolo", la disposizione ben ordinata degli atomi che forma un cristallo. Però, scoprendo la vera natura di questa transizione di fase da metallo a isolante nei nichelati, ed essere in grado di controllarlo per potenziali dispositivi elettronici, richiede di sapere come ogni fase caratteristica emerge e si evolve durante la transizione.
Ora, scienziati dell'EPFL e dell'Università di Ginevra hanno combinato due tecniche all'avanguardia per ottenere una mappatura su nanoscala di ciascuna fase elettronica distinta. Pubblicato sulla rivista Nano lettere , lo studio è stato condotto dal Dr. Duncan Alexander presso la School of Basic Sciences dell'EPFL e dal gruppo del Professor Jean-Marc Triscone presso l'Università di Ginevra.
Il primo autore dello studio, Dott. Bernat Mundet, dice:"Per comprendere appieno la fisica mostrata dai nuovi materiali elettronici e controllarli nei dispositivi, sono necessarie nuove tecniche di caratterizzazione su scala atomica. A questo proposito, siamo stati in grado per la prima volta di determinare con precisione le regioni metalliche e isolanti di dispositivi di ingegneria atomica costituiti da due composti di nichel con una risoluzione quasi atomica. Crediamo che la nostra metodologia aiuterà a comprendere meglio la fisica di questa importante famiglia di materiali elettronici".
Immagine STEM a risoluzione atomica che mostra la perfetta struttura cristallina di un film sottile di nichel, colorato per rappresentare i due composti. Credito:Bernat Mundet
I ricercatori hanno combinato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione corretta per l'aberrazione (STEM) con la spettroscopia a perdita di energia di elettroni monocromatici (EELS).
In STEM, le immagini si formano scansionando un fascio di elettroni, focalizzato su uno spot di circa 1 Ångstrom di dimensione, attraverso un campione sufficientemente sottile, in questo caso una scheggia di nichelato, e raccogliendo gli elettroni trasmessi e dispersi con l'uso di rivelatori anulari. Sebbene tecnicamente impegnativo, questa tecnica consente ai ricercatori di visualizzare con precisione la struttura reticolare di un cristallo, riga atomica per riga atomica.
Per la seconda tecnica anguille, vengono invece raccolti quegli elettroni che passano attraverso il foro centrale del rivelatore anulare. Alcuni di questi elettroni hanno precedentemente perso energia a causa della loro interazione con gli atomi di Ni del cristallo di nichel. Misurando come cambia questa differenza di energia, possiamo determinare lo stato metallico o isolante del composto nichelato.
Poiché tutti gli elettroni sono dispersi e raccolti simultaneamente, i ricercatori sono stati in grado di correlare i cambiamenti di stato elettronico con le posizioni reticolari associate nei diversi composti di nichel. Questo approccio ha permesso loro di mappare, per la prima volta, la configurazione spaziale delle loro regioni metalliche o isolanti, raggiungendo una risoluzione spaziale molto elevata di circa 3,5 Ångstrom (0,35 nanometri). La tecnica sarà uno strumento prezioso per studiare e guidare l'ingegneria atomica di questi nuovi materiali elettronici.
"Gli ultimi microscopi elettronici ci danno una straordinaria capacità di misurare una varietà di proprietà fisiche dei materiali con risoluzione spaziale atomica o nanometrica, " dice Duncan Alexander. "Ecco, spingendo al limite le capacità del microscopio Titan Themis dell'EPFL, facciamo un entusiasmante passo avanti in questo campo, dimostrando che possiamo misurare i cambiamenti nello stato elettronico attraverso una struttura a film sottile composta precisamente da due diversi nichelati. Il nostro approccio apre nuove strade per studiare la fisica di questi composti nichelati, che hanno suscitato l'interesse della ricerca in tutto il mondo."
"La combinazione di incredibili materiali artificiali che mostrano una transizione da metallo a isolante e microscopia elettronica molto avanzata ha permesso indagini dettagliate senza precedenti delle loro proprietà elettroniche, " aggiunge Jean-Marc Triscone. "In particolare, ha rivelato, su scala atomica, se il materiale è conduttore o isolante, una domanda importante per comprendere meglio questi materiali che potrebbero essere utilizzati nei futuri approcci informatici".
