Compreender o comportamento dos materiais em suas interfaces - onde eles se conectam e interagem com outros materiais - é fundamental para a engenharia de uma variedade de dispositivos usados ​​para processar, armazenar e transferir informações. Dispositivos como transistores, a memória magnética e os lasers podem melhorar à medida que os pesquisadores investigam a natureza dessas ligações, que afetam as propriedades de condutividade e magnetismo dos materiais.

Neste esforço, Steven May, Ph.D., e seus colegas da Faculdade de Engenharia da Universidade Drexel, junto com pesquisadores da Universidade de Saskatchewan e Lawrence Berkeley, Brookhaven e Argonne National Labs demonstraram recentemente uma nova abordagem para examinar - com precisão da camada atômica - mudanças no comportamento dos elétrons nas interfaces entre dois materiais.

Em particular, a abordagem fornece um vislumbre de como o grau de ligação covalente e iônica entre átomos de metal e oxigênio é alterado ao se mover de um material para o outro.

A demonstração deste método, que foi publicado recentemente no jornal Materiais avançados , fornece aos cientistas um recurso poderoso para desbloquear o potencial dos materiais de engenharia no nível atômico.

"Essas interfaces podem transmitir novas funcionalidades às pilhas de materiais, mas estudar diretamente como as propriedades dos elétrons nas interfaces diferem dos elétrons não interfaciais requer técnicas que podem resolver espacialmente as propriedades em camadas atômicas individuais, "disse maio, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Drexel. "Por exemplo, uma medição da condutividade de um material fornece informações sobre sua capacidade média de conduzir eletricidade, mas não revela diferenças entre como os elétrons estão se comportando nas interfaces e fora delas. "

A ligação iônica e covalente é um conceito central na ciência dos materiais que descreve como os átomos são mantidos juntos para formar materiais sólidos. Em uma ligação iônica, elétrons de um átomo são transferidos para outro átomo. A atração entre o íon com carga positiva resultante - cátion - e íon com carga negativa - ânion - é o que atrai os átomos juntos, criando assim um vínculo. Por outro lado, uma ligação covalente se forma quando dois átomos compartilham seus elétrons um com o outro - em vez de transferi-los totalmente.

Compreender o comportamento do elétron em uma ligação atômica é um fator importante para compreender ou prever o comportamento dos materiais. Por exemplo, materiais com ligações iônicas tendem a ser isolantes que bloqueiam o fluxo de eletricidade; enquanto os materiais com ligações covalentes podem ser eletricamente condutores.

Mas muitos materiais contêm ligações que são melhor descritas como uma mistura de iônica e covalente. Nesses materiais, o grau em que a ligação é iônica ou covalente influencia fortemente suas propriedades eletrônicas.

"Os detalhes dessa mistura dependem de quais orbitais de elétrons vêm os elétrons de maior energia - aqueles que formam as ligações, "May disse." O caráter orbital desses elétrons, por sua vez, tem efeitos profundos em seu comportamento eletrônico e magnético. Embora os cientistas tenham desenvolvido abordagens computacionais para descrever o quão covalente ou iônica é uma ligação, medir experimentalmente como o caráter orbital dos elétrons ou as mudanças na covalência entre as interfaces continua sendo um desafio significativo na pesquisa de materiais. "

A abordagem da equipe para fazer essa medição experimental envolve uma técnica chamada refletividade de raios-X ressonante. Experimentos como este só podem ser realizados em grandes instalações de raios-X síncrotron, como os operados pelo Departamento de Energia dos EUA. Esses enormes laboratórios geram radiação de raios-X para sondar a estrutura dos materiais.

Em um experimento de refletividade, os pesquisadores analisam o padrão dos raios-X que são espalhados pelo material para entender a densidade relativa de elétrons dentro de um material. Os dados de refletividade podem ser usados ​​para determinar a concentração de elétrons, em relação à sua distância da superfície do 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, Ph.D., 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."