Scanning -tunneling microscopie onthult atoomstructuur onder de oppervlakte

Wetenschappers gebruiken scanning -tunnelingmicroscopie om te begrijpen hoe de elektronische of magnetische eigenschappen van een materiaal zich verhouden tot zijn structuur op de atomaire schaal. Bij gebruik van deze techniek kunnen ze echter normaal alleen de bovenste atoomlaag van een materiaal onderzoeken.

Prof Anika Schlenhoff en postdoctoraal onderzoeker Dr. Maciej Bazarnik van het Institute of Physics aan de Universiteit van Münster (Duitsland) zijn er nu voor het eerst in geslaagd een gemodificeerde meetmethode te gebruiken om structurele en magnetische eigenschappen af te beelden die onder de oppervlakte liggen. Het team onderzocht een ultradunne laag van een magnetisch materiaal (ijzer) onder een tweedimensionale grafeenlaag. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek ACS nano.

Bij conventionele scanning-tunnelingmicroscopie worden zogenaamde elektronische toestanden op het monsteroppervlak gebruikt voor het meetsignaal (de “tunnelstroom” die stroomt tussen de sondepunt en het monster). In de resonerende meetvariant die door het team werd gebruikt, werden staten voor het oppervlak echter onderzocht. Blijkbaar tegenstrijdig, maar al geruime tijd bekend, kunnen deze speciale toestanden worden gebruikt om elektronische ladingsoverdracht op begraven interfaces in het monster te onderzoeken.

Zoals de onderzoekers nu hebben aangetoond, kunnen deze speciale toestanden worden gebruikt om de lokale magnetische eigenschappen van een ijzeren film te detecteren die door grafeen worden behandeld. De fysieke reden hiervoor is dat de elektronische toestanden die zich boven het oppervlak bevinden, onder het grafeen doordringen in het monster tot de magnetische ijzerlaag en zelf magnetisch worden door interactie met het ijzer.

“Dit opent nieuwe onderzoeksmogelijkheden,” Schlenhoff legt uit. “We kunnen nu dezelfde scanning -tunnelingmicroscoop gebruiken om de bovenste laag van een gelaagd systeem en een begraven grensvlaklaag eronder te onderzoeken in termen van hun structurele, elektronische en magnetische eigenschappen. Beide lagen kunnen worden geanalyseerd met een unieke high-ruimtelijke resolutie die zich uitstrekt tot de atomaire schaal.”

Het team toonde ook aan dat hun methode kan worden gebruikt om informatie te verkrijgen over de lokale positie van de lagen ten opzichte van elkaar. De positie van de koolstofatomen van het grafeen varieert bijvoorbeeld lokaal met betrekking tot de onderliggende ijzeratomen vanwege verschillende stapelsequenties.

“De verschillen in de verticale stapeling konden niet eerder worden opgelost voor dit materiaalsysteem met behulp van conventionele scant -tunnelingmicroscopie,” Legt Bazarnik uit.

Zoals het nu blijkt, zijn de toestanden in de buurt van het oppervlak, die worden gebruikt in resonerende scanning -tunnelingmicroscopie, gevoelig voor de stapelsequentie en dus deze verschillen kunnen visualiseren.