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, memoria magnética y láseres podríantodos mejoran a medida que los investigadores profundizan en la naturaleza de estos enlaces, que afectan las propiedades de conductividad y magnetismo de los materiales.
En este esfuerzo, Steven May, PhD, 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 el examen, con atómica-precisión de la capa: cambios en el comportamiento de los electrones en las interfaces entre dos materiales.
En particular, el enfoque proporciona una idea de 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 se publicó recientemente en la revista Materiales avanzados , proporciona a los científicos un poderoso recurso para desbloquear el potencial de los materiales de ingeniería a nivel atómico.
"Estas interfaces pueden impartir nueva funcionalidad en las pilas de materiales, 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 a través de capas atómicas individuales", dijo May, un profesoren el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en 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 fuera de ellas."
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 resultante cargado positivamente -catión - y el ion aniónicamente cargado - anión - es lo que une a los átomos, creando así un enlace. Por el contrario, se forma un enlace covalente cuando dos átomos comparten sus electrones entre sí, en lugar de transferirlos completamente.
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 iónico y covalente. 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 los orbitales de electrones de los que provienen los electrones de mayor energía, los que forman los enlaces", dijo May. "El carácter orbital de estos electrones, a su vez, tiene profundos efectos en sus componentes electrónicos".y comportamiento 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 entre 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 resonante. Experimentos como este solo pueden llevarse a cabo en las grandes instalaciones de rayos X de sincrotrón, como las operadas por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Estos laboratorios masivosgenerar 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 usar para determinar la concentración de electrones, en relación con su distancia desdela superficie del material
Al ajustar la longitud de onda de los rayos X para excitar las transiciones electrónicas específicas de los elementos individuales en la pila de materiales, el equipo pudo medir las contribuciones electrónicas de cada elemento a su enlace compartido, lo que revela cuán iónico o covalente es el enlace.
"Esto es algo así como los climatólogos usarían muestras de núcleos de hielo para analizar la composición química de cada capa en función de la profundidad desde la superficie", dijo May. "Podemos hacer lo mismo en la escala atómica usando x-reflectividad de los rayos. Pero la información que estamos obteniendo nos informa sobre el carácter orbital de los electrones y cómo esto cambia de una capa atómica a la siguiente ".
Los materiales utilizados en el estudio están compuestos de capas alternas de dos compuestos de óxido de metal de transición: ferrita de estroncio y ferrita de calcio. Estos materiales son interesantes porque exhiben muchos de los comportamientos electrónicos exóticos que se encuentran en los materiales cuánticos, incluido el cambio de metala estados aislantes a medida que se enfrían.
En el corazón de las propiedades inusuales de estos materiales se encuentra el enlace hierro-oxígeno. La teoría predice que el enlace en este material es mucho más covalente que los enlaces hierro-oxígeno típicos, que tienden a ser bastante iónicos en la mayoría de los compuestos que contienen hierro.
Utilizando el enfoque de reflectividad de rayos X, el equipo pudo medir, por primera vez, cómo las contribuciones de oxígeno y hierro al carácter electrónico difieren en las capas y en la interfaz de los dos compuestos.
"Al sondear individualmente la densidad electrónica de los estados de oxígeno y los estados de hierro, podríamos determinar el grado de covalencia entre el hierro y el oxígeno a través de estas interfaces de óxido a escala atómica", dijo Paul Rogge, PhD, investigador postdoctoral en Drexelquién es el primer autor en el artículo ". Nos sorprendió encontrar un cambio dramático en la covalencia entre los materiales porque sus estructuras electrónicas individuales son muy similares, pero al interactuar con películas delgadas de estos dos materiales podemos ajustar su estructura física y así alterarsu enlace atómico, que en última instancia afecta sus propiedades electrónicas y magnéticas "
Comprender cómo funcionan las interfaces de materiales inusuales, como las de los materiales cuánticos, podría ser el primer paso para aprovechar sus propiedades para mejorar la potencia de procesamiento, el almacenamiento y las capacidades de comunicación de los dispositivos electrónicos.
"En el futuro, estamos entusiasmados por aplicar esta técnica a otras clases de materiales cuánticos, como aislantes topológicos y semimetales, para obtener nuevas ideas sobre cómo las interfaces alteran el carácter magnético y electrónico en esos materiales", dijo May.La mayoría de los dispositivos electrónicos y magnéticos dependen de las interfaces para operar, tener una comprensión profunda de cómo se comportan los electrones en las interfaces es fundamental para el diseño de futuras tecnologías electrónicas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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