Nano-mapping fase-overgangen in elektronische materialen

Faseovergangen zijn een centraal fenomeen in de natuurwetenschappen. Ondanks dat ze technisch klinken, zijn ze eigenlijk iets dat we allemaal in het dagelijks leven ervaren: ijs dat smelt tot vloeibaar water, of heet water dat verdampt als stoom. Vaste stof, vloeistof en gas zijn drie bekende “fasen” en, wanneer de ene in de andere verandert, is dat een faseovergang.

Zeldzame aardmetalen nikkelaatoxiden, ook wel nikkelaten genoemd, hebben veel belangstelling van onderzoekers gewekt omdat ze een elektronische faseovergang vertonen, die in toekomstige elektronische apparaten kan worden benut. Deze specifieke faseovergang bestaat uit het veranderen van een metallische toestand die elektriciteit geleidt naar een elektrisch isolerende toestand als de temperatuur daalt.

Achter dit gedrag schuilt een sterke interactie tussen de elektronische eigenschappen van deze verbindingen en hun “roosterstructuur” – de goed geordende ordening van atomen die een kristal vormen. Om de ware aard van deze fase-overgang van metaal naar isolator in nikkelaten te ontdekken en deze te kunnen besturen voor potentiële elektronische apparaten, moet echter worden geweten hoe elke karakteristieke fase ontstaat en evolueert tijdens de overgang.

Nu hebben wetenschappers van EPFL en de Universiteit van Genève twee hypermoderne technieken gecombineerd om elke afzonderlijke elektronische fase in kaart te brengen op nanoschaal. Gepubliceerd in het tijdschrift Nano Letterswerd de studie geleid door Dr. Duncan Alexander aan de School of Basic Sciences van EPFL en de groep van Professor Jean-Marc Triscone aan de Universiteit van Genève.

De eerste auteur van de studie, dr. Bernat Mundet, zegt: “Om de fysica van nieuwe elektronische materialen volledig te begrijpen en deze in apparaten te beheersen, zijn nieuwe karakteriseringstechnieken op atomaire schaal vereist. tijd om nauwkeurig de metallische en isolerende gebieden te bepalen van atomisch ontworpen apparaten gemaakt van twee nikkelaatverbindingen met een bijna atomaire resolutie. Wij geloven dat onze methodologie zal helpen om de fysica van deze belangrijke familie van elektronische materialen beter te begrijpen. “

De onderzoekers combineerden aberratie-gecorrigeerde scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) met monochromeerde elektronen-energieverlies-spectroscopie (EELS).

In STEM worden beelden gevormd door een elektronenbundel te scannen, gefocust op een plek van ongeveer 1 Ångström groot, over een voldoende dun preparaat – in dit geval een stukje nikkelaat – en de doorgelaten en verstrooide elektronen te verzamelen met behulp van ringvormige detectoren. Hoewel technisch veeleisend, stelt deze techniek onderzoekers in staat om de roosterstructuur van een kristal nauwkeurig te visualiseren, atoomrij voor atoomrij.

Voor de tweede techniek, EELS, worden in plaats daarvan de elektronen verzameld die door het centrale gat van de ringvormige detector gaan. Sommige van deze elektronen hebben eerder wat energie verloren door hun interactie met de Ni-atomen van het nikkelaatkristal. Door te meten hoe dit energieverschil verandert, kunnen we de metallische of isolerende toestand van de nikkelaatverbinding bepalen.

Omdat alle elektronen tegelijkertijd worden verstrooid en verzameld, waren de onderzoekers in staat om de elektronische toestandsveranderingen te correleren met de bijbehorende roosterposities in de verschillende nikkelaatverbindingen. Met deze aanpak konden ze voor het eerst de ruimtelijke configuratie van hun metalen of isolerende gebieden in kaart brengen, met een zeer hoge ruimtelijke resolutie van ongeveer 3,5 Ångstrom (0,35 nanometer). De techniek zal een waardevol hulpmiddel zijn voor het bestuderen en begeleiden van de atomaire engineering van deze nieuwe elektronische materialen.

“De nieuwste elektronenmicroscopen geven ons een verbazingwekkende mogelijkheid om een ​​verscheidenheid aan fysische eigenschappen van materialen te meten met atomaire of nanometrische ruimtelijke resolutie”, zegt Duncan Alexander. “Hier, door de mogelijkheden van EPFL’s Titan Themis-microscoop tot het uiterste te verleggen, zetten we een spannende stap voorwaarts op dit gebied, door te bewijzen dat we de veranderingen in de elektronische toestand kunnen meten over een dunne filmstructuur die precies is gemaakt van twee verschillende nikkelaten. benadering opent nieuwe wegen voor het onderzoeken van de fysica van deze nikkelaatverbindingen, die wereldwijd onderzoek hebben gewekt. “

“De combinatie van verbazingwekkende kunstmatige materialen die een overgang van metaal naar isolator vertonen en zeer geavanceerde elektronenmicroscopie heeft een ongekend gedetailleerd onderzoek van hun elektronische eigenschappen mogelijk gemaakt”, voegt Jean-Marc Triscone toe. “In het bijzonder onthulde het, op atomaire schaal, of het materiaal geleidend of isolerend is – een belangrijke vraag voor een beter begrip van deze materialen die in toekomstige computerbenaderingen kunnen worden gebruikt.”