Röntgenaufnahme einer atomaren Bindung
Das Verständnis des Verhaltens von Materialien an ihren Grenzflächen - wo sie mit anderen Materialien verbunden sind und mit ihnen interagieren - ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung einer Vielzahl von Geräten zur Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Informationen. Vorrichtungen wie Transistoren, magnetische Speicher und Laser könnten sich alle verbessern, wenn die Forscher sich mit der Art dieser Verbindungen befassen, die die Eigenschaften der Materialien hinsichtlich Leitfähigkeit und Magnetismus beeinflussen.
Dies ist eine künstlerische Darstellung einer Röntgenaufnahme, die mit Schichten mit unterschiedlichem Orbitalcharakter interagiert. Ionische Charakterorbitale sind grün gefärbt, während kovalente Charakterorbitale rosa sind.
Image courtesy of Tiffany Bowman, Brookhaven National Lab.
In diesem Bestreben haben Dr. Steven May und seine Kollegen vom College of Engineering der Drexel University sowie Forscher von der University of Saskatchewan und Lawrence Berkeley, Brookhaven und Argonne National Labs kürzlich einen neuen Ansatz zur Untersuchung von Veränderungen im Verhalten von Elektronen an den Grenzflächen zwischen zwei Materialien mit atomarer Schichtgenauigkeit vorgestellt.
Insbesondere gibt der Ansatz einen Einblick, wie sich der Grad der kovalenten und ionischen Bindung zwischen Metall- und Sauerstoffatomen beim Wechsel von einem Material zum nächsten ändert.
Die Demonstration dieser Methode, die kürzlich in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, bietet Wissenschaftlern eine leistungsstarke Ressource, um das Potenzial von technischen Materialien auf atomarer Ebene zu erschließen.
"Diese Grenzflächen können neue Funktionen in die Materialstapel einbringen, aber die direkte Untersuchung, wie sich die Eigenschaften von Elektronen an den Grenzflächen von den nicht-interfacealen Elektronen unterscheiden, erfordert Techniken, die die Eigenschaften über einzelne Atomschichten hinweg räumlich auflösen können", sagt May, Professor am Department of Materials Science and Engineering bei Drexel. "Zum Beispiel gibt eine Messung der Leitfähigkeit eines Materials Aufschluss über seine durchschnittliche Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, zeigt aber keine Unterschiede zwischen dem Verhalten der Elektronen an den Grenzflächen und außerhalb der Grenzflächen ."
Die ionische und kovalente Bindung ist ein zentrales Konzept der Materialwissenschaft, das beschreibt, wie Atome zu festen Materialien zusammengehalten werden. In einer ionischen Bindung werden Elektronen von einem Atom auf ein anderes übertragen. Die Anziehungskraft zwischen dem resultierenden positiv geladenen Ionen - Kation - und dem negativ geladenen Ionen - Anion - zieht die Atome zusammen und schafft so eine Bindung. Umgekehrt bildet sich eine kovalente Bindung, wenn zwei Atome ihre Elektronen miteinander teilen - anstatt sie vollständig zu übertragen.
Das Verständnis des Elektronenverhaltens in einer atomaren Bindung ist ein wichtiger Faktor für das Verständnis oder die Vorhersage des Verhaltens von Materialien. So sind beispielsweise Materialien mit ionischen Bindungen in der Regel Isolatoren, die den Stromfluss blockieren, während Materialien mit kovalenten Bindungen elektrisch leitfähig sein können.
Aber viele Materialien enthalten Verbindungen, die am besten als eine Mischung aus ionisch und kovalent beschrieben werden können. In diesen Materialien beeinflusst der Grad, in dem die Bindung ionisch oder kovalent ist, stark ihre elektronischen Eigenschaften.
"Die Details dieser Mischung hängen davon ab, aus welchen Elektronenbahnen die Elektronen mit der höchsten Energie - diejenigen, die die Bindungen bilden - kommen", sagte May. "Der Orbitalcharakter dieser Elektronen wiederum hat tiefgreifende Auswirkungen auf ihr elektronisches und magnetisches Verhalten. Während Wissenschaftler Berechnungsansätze entwickelt haben, um zu beschreiben, wie kovalent oder ionisch eine Bindung ist, bleibt die experimentelle Messung, wie der Orbitalcharakter von Elektronen oder die Veränderungen der Kovalenz über Grenzflächen hinweg, eine große Herausforderung in der Materialforschung".
Der Ansatz des Teams für diese experimentelle Messung besteht in einer Technik namens resonante Röntgenreflektometrie. Solche Experimente können nur in den großen Synchrotron-Röntgenanlagen durchgeführt werden, wie sie beispielsweise vom U.S. Department of Energy betrieben werden. Diese massiven Labors erzeugen Röntgenstrahlung, um die Struktur von Materialien zu untersuchen.
In einem Reflexionsexperiment analysieren Forscher das Muster von Röntgenstrahlen, die vom Material gestreut werden, um die relative Elektronendichte innerhalb eines Materials zu verstehen. Die Reflexionsdaten können verwendet werden, um die Konzentration von Elektronen im Verhältnis zu ihrem Abstand von der Oberfläche des Materials zu bestimmen.
Durch die Abstimmung der Wellenlänge der Röntgenstrahlen zur Anregung elektronischer Übergänge, die für einzelne Elemente im Materialstapel spezifisch sind, konnte das Team die Elektronenbeiträge jedes Elements zu seiner gemeinsamen Bindung messen - und so aufzeigen, wie ionisch oder kovalent die Bindung ist.
"Das ist so etwas wie die Art und Weise, wie Klimatologen Eiskernproben verwenden würden, um die chemische Zusammensetzung jeder Schicht als Funktion der Tiefe von der Oberfläche zu analysieren", sagte May. "Wir können das Gleiche auf atomarer Ebene mit Hilfe der Röntgenreflektometriefähigkeit tun. Aber die Informationen, die wir erhalten, sagen uns etwas über den Orbitalcharakter von Elektronen und wie sich dieser von einer Atomschicht zur nächsten ändert."
Die in der Studie verwendeten Materialien bestehen aus abwechselnden Schichten von zwei Übergangsmetalloxidverbindungen - Strontiumferrit und Kalziumferrit. Diese Materialien sind von Interesse, weil sie viele der exotischen elektronischen Verhaltensweisen aufweisen, die in Quantenmaterialien vorkommen, einschließlich des Wechsels von metallischen zu isolierenden Zuständen, wenn sie abkühlen.
Im Mittelpunkt der ungewöhnlichen Eigenschaften dieser Materialien steht die Eisen-Sauerstoff-Bindung. Die Theorie sagt voraus, dass die Bindung in diesem Material viel kovalenter ist als typische Eisen-Sauerstoff-Bindungen, die in den meisten eisenhaltigen Verbindungen eher sehr ionisch sind.
Mit dem Röntgenreflektometrieansatz konnte das Team erstmals messen, wie sich die Sauerstoff- und Eisenanteile am elektronischen Charakter in den Schichten und an der Grenzflächen der beiden Verbindungen unterscheiden.
"Indem wir die Elektronendichte der Sauerstoff- und Eisenzustände einzeln untersuchen, können wir den Grad der Kovalenz zwischen Eisen und Sauerstoff über diese Oxidgrenzflächen auf atomarer Ebene bestimmen", sagt Dr. Paul Rogge, Postdoc bei Drexel, der der erste Autor auf dem Papier ist. "Wir waren überrascht, eine dramatische Veränderung der Koevalenz zwischen den Materialien zu beobachten, da ihre individuellen elektronischen Strukturen sehr ähnlich sind, aber durch die Vernetzung dünner Schichten dieser beiden Materialien können wir ihre physikalische Struktur verändern und so ihre atomare Bindung verändern, was sich letztendlich auf ihre elektronischen und magnetischen Eigenschaften auswirkt."
Zu verstehen, wie ungewöhnliche Materialgrenzflächen , wie sie beispielsweise bei Quantenmaterialien funktionieren, könnte der erste Schritt sein, um ihre Eigenschaften zu nutzen, um die Verarbeitungs-, Speicher- und Kommunikationsfähigkeiten elektronischer Geräte zu verbessern.
"In Zukunft freuen wir uns darauf, diese Technik auf andere Klassen von Quantenmaterialien, wie topologische Isolatoren und Halbmetalle, anzuwenden, um neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie Grenzflächen den magnetischen und elektronischen Charakter in diesen Materialien verändern", sagte May. "Da die Mehrheit der elektronischen und magnetischen Geräte auf Grenzflächen angewiesen ist, ist ein tiefes Verständnis des Verhaltens von Elektronen an Grenzflächen entscheidend für die Gestaltung zukünftiger elektronischer Technologien."
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