Учёные впервые визуализировали атомную структуру под поверхностью материала

На рисунке (слева) показано магнитное состояние над поверхностью с помощью его (упрощённой) волновой функции (зелёная волнистая линия), которая проникает под графен (тёмно-серые сферы) к магнитному железу (синие сферы). Электроны (маленькие жёлтые сферы) «туннелируют» с магнитного зонда микроскопа в это состояние. Зелёные стрелки указывают на спин электрона — квантово-механическое свойство, связанное с магнитными характеристиками. Справа от изображения поверхности образца видны два микроскопических снимка. Верхний снимок демонстрирует контраст между участками с разной последовательностью укладки атомов, а нижний — карту локальной спиновой поляризации, обусловленной спиновой плотностью на скрытой границе раздела. Автор: ACS—Schlenhoff Group

Учёные используют сканирующую туннельную микроскопию (СТМ), чтобы понять, как электронные или магнитные свойства материала связаны с его атомной структурой. Однако при использовании этой техники обычно можно исследовать только самый верхний атомный слой материала.

Профессор Аника Шленхофф и постдокторант доктор Мацей Базарник из Института физики Мюнстерского университета (Германия) впервые применили модифицированный метод измерений, чтобы визуализировать структурные и магнитные свойства, скрытые под поверхностью. Команда исследовала ультратонкий слой магнитного материала (железа) под двумерным слоем графена. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.

В классической СТМ для измерения сигнала (туннельного тока между зондом и образцом) используются электронные состояния на поверхности. Однако в резонансном варианте, который применили исследователи, изучались состояния, расположенные перед поверхностью. Эти особые состояния, хотя и кажутся противоречивыми, уже давно известны и позволяют исследовать перенос заряда на скрытых границах раздела внутри образца.

«Это открывает новые возможности для исследований», — объясняет Шленхофф. — «Теперь мы можем использовать один и тот же сканирующий туннельный микроскоп для изучения как верхнего слоя слоистой системы, так и скрытого интерфейсного слоя под ним, анализируя их структурные, электронные и магнитные свойства. Оба слоя можно исследовать с уникально высоким пространственным разрешением вплоть до атомного масштаба».

Команда также показала, что их метод позволяет получить информацию о локальном взаимном расположении слоёв. Например, положение атомов углерода в графене локально меняется относительно атомов железа под ним из-за различий в последовательности укладки.

«Различия в вертикальной укладке ранее не удавалось разрешить для этой системы материалов с помощью обычной СТМ», — поясняет Базарник.

Как выяснилось, состояния вблизи поверхности, используемые в резонансной СТМ, чувствительны к последовательности укладки, что позволяет визуализировать эти различия.

Больше информации: Maciej Bazarnik et al, Image-Potential States on a 2D Gr–Ferromagnet Hybrid: Enhancing Spin and Stacking Sensing, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c04475

Источник: University of Münster