采用原子水平的原子键解锁潜力的X射线

这是与包含不同轨道特征的层相互作用的X射线的艺术表示。离子字符轨道是彩色的;虽然共价字符轨道是粉红色的。

了解材料在界面上的行为 - 他们连接到并与其他材料进行交互 - 是工程的核心，用于处理，存储和传输信息的各种设备。诸如晶体管，磁存储器和激光器的装置可以随着研究人员深入研究这些键的性质，这影响了这些粘合的性质，这影响了导电性和磁性的材料的性质。

在这项努力中，史蒂文5月，博士和他的同事以及来自萨斯喀彻温省和劳伦斯大学的研究人员，Brookhaven和Argonne国家实验室最近展示了一种用于检查 - 原子层精度的新方法 - 两种材料之间的界面处的电子行为的变化。

特别地，该方法提供了一瞥将金属和氧原子之间的共价和离子键合的程度改变为从一种材料转移到下一个材料。

该方法的演示最近在杂志上发表在杂志，为科学家提供了强大的资源，用于解锁原子水平的工程材料的潜力。

使用大型同步X射线设施研究人员正在更好地了解原子键。

“这些接口可以将新的功能赋予材料堆栈，但是直接研究接口处的电子的特性与非界面电子的方式不同，需要在空白原子层中可以空间地解析属性的技术，”5月牌说，“ Drexel材料科学与工程系。“例如，材料的电导率的测量提供了有关其平均传导电力的能力的信息，而不是揭示电子之间表现在接口并远离接口之间的差异。”

离子和共价键合是材料科学中的中心概念，所述材料科学中描述了原子如何一起形成固体材料。在离子键中，将来自一个原子的电子转移到另一个原子中。由此产生的带正电荷的离子阳离子之间的吸引力 - 和带负电离子 - 阴离子 - 是在一起将原子绘制在一起的，从而产生键。相反，当两个原子彼此共享电子时，相反，当两个原子彼此共用时，而不是完全转移它们。

理解原子键中的电子行为是理解或预测材料行为的重要因素。例如，具有离子键的材料倾向于是阻挡电流的绝缘体;虽然具有共价键的材料可以是导电的。

但是许多材料含有最好被描述为离子和共价的混合物的键。在这些材料中，粘合是离子或共价的程度强烈影响其电子性质。

“这种混合物的细节取决于电子轨道最高能量电子 - 形成债券的那些 - 来自于”来源“。“这些电子的轨道性质又对其电子和磁性行为产生了深远的影响。虽然科学家制定了计算方法来描述债券的共价或离子是如何测量电子的轨道特征或在界面的共和率变化的方式仍然是材料研究的重大挑战。“

该团队进行该实验测量的方法涉及一种称为谐振X射线反射率的技术。这样的实验只能在大型同步X射线设施中进行，例如由美国能源部运营的X射线设施。这些大规模实验室产生X射线辐射以探测材料的结构。

在反射率实验中，研究人员分析从材料散射以理解材料内的相对电子密度的X射线的图案。反射率数据可用于确定电子的浓度与距材料表面的距离相比。

通过调整X射线的波长来激发特定于物料堆叠的近硝的电子转变，该团队能够测量每个元素的电子贡献，从而揭示了债券的离子或共价值。

“这是气候学家如何利用冰核样品如何将每层的化学构成分析到从表面的深度的函数来分析每个层的化学构成。”“我们可以使用X射线反射率在原子尺度下进行同样的事情。但是我们获得的信息告诉我们电子的轨道特征以及这种原子层的轨道特征以及如何从一个原子层变为下一个。“

研究中使用的材料由两个过渡金属氧化物化合物 - 锶铁氧体和钙铁氧体的交替层组成。这些材料非常感兴趣，因为它们表现出在量子材料中发现的许多异国电子行为，包括在凉爽时从金属变为绝缘状态。

在这些材料的核心，“不寻常的性质是铁 - 氧键。理论预测该材料中的粘合比典型的铁 - 氧键更多，这在大多数含铁化合物中往往是相当离子的。

使用X射线反射率方法，该团队能够衡量 - 首次进行衡量 - 如何对电子特性的氧气和铁贡献在层和两种化合物的界面中不同。

“通过透明探测氧气状态和铁状态的电子密度，我们可以在原子量表中确定氧化氧化物界面之间的铁和氧气之间的节日程度，”德雷德尔的博士罗格，博士学位纸上的第一个作者。“我们感到惊讶地发现材料之间的共和率发生了巨大变化，因为它们的脚化电子结构非常相似，而是通过接合这两种材料的薄膜，我们可以调整它们的物理结构，从而改变原子粘合，最终影响他们的电子和磁性。“

了解如何异常的材料接口，如量子材料，功能可以是利用其性质的第一步，以改善电子设备的处理能力，存储和通信能力。

“向前迈进了，我们很兴奋地将这种技术应用于其他类别的量子材料，例如拓扑绝缘体和半型，以获得新的见解，以如何在这些材料中改变磁性和电子特性的界面。”“因为大多数电子和磁性设备依赖于接口运行，深入了解电子在接口时的表现如何对未来电子技术的设计至关重要。”

参考：Paul C. Rogge，Padraic Shafer，Gilberto Fabbris，Wen Hu，Elke Arenholz，Evguenia Karapetrova，Mark PM Dean，Robert J. Green和Steven J. Green and Steven J. Green and Steven J. Green and Steven J.Gream和Steven J. Green and Steven J. Green and Steven J 。MA，2019年9月12日，先进的材料.DOI：
10.1002 / ADMA.201902364

该研究由军队研究办公室资助美国军队战斗能力发展指挥的军队研究实验室。除了5月和Rogge，Padraic Shafer，Phd和Elke Arenholz，博士，来自劳伦斯伯克利国家实验室;和吉尔伯托飞机，博士; Evguenia Karpetrova，博士，来自Argonne National实验室;和标记下午院长，博士和文虎，博士，来自布鲁克海汶国家实验室，为这项工作做出了贡献。