Скрученные оксидные кристаллы показывают, как атомные узлы могут управлять электронами
Разделение зарядов, вызванное атомным расположением на скрученной границе раздела двойного слоя SrTiO3. Автор: POSTECH
Учёные выяснили, что простое скручивание и наложение двух слоёв оксидных кристаллов позволяет самому атомному расположению управлять поведением электронов. Подобно новым узорам, возникающим при наложении и повороте двух сеток, скрученная оксидная граница раздела формирует специфические атомные конфигурации, которые действуют как «невидимый забор», либо захватывая, либо отталкивая электроны.
Исследовательская группа под руководством профессора Си-Ён Чхве с факультета материаловедения и инженерии и факультета полупроводниковой инженерии POSTECH (Пхоханский университет науки и технологии), в сотрудничестве с профессором Чхан-Бом Ём и постдоком Кёнджун Ли из Университета Висконсина-Мэдисона, а также профессором Рё Исикавой из Токийского университета, прояснила механизм, лежащий в основе этого явления в скрученных оксидных интерфейсах, сформированных под определёнными углами поворота. Работа была опубликована в качестве обложной статьи в журнале ACS Nano.
Муаровые узоры выходят за пределы графена
Ключевой концепцией исследования является муаровый узор. Когда две решётки складываются и один слой слегка поворачивается, возникает новый узор с гораздо большей периодичностью. До сих пор исследования таких скрученных двухслойных структур в основном были сосредоточены на двумерных материалах, таких как графен. В отличие от них, оксиды — это жёсткие трёхмерные кристаллы, что затрудняет создание скрученных интерфейсов и выборочный анализ их структур.
Исследовательская группа решила эту проблему, используя условие «совпадающей узловой решётки (CSL)», при котором атомы периодически совпадают, когда два кристалла выровнены под определённым углом. Применив эту стратегию к оксидному кристаллу титаната стронция (SrTiO3), исследователи обнаружили, что скрученный оксидный интерфейс формирует муаровую сверхрешётку, состоящую из четырёх различных атомных конфигураций, которые периодически повторяются.
Слабые искажения меняют поведение электронов
Что ещё более поразительно, выраженные различия в распределении электронов наблюдались только в определённых атомных конфигурациях. Слабые искажения в октаэдрах кислорода (где шесть атомов кислорода окружают атом титана) изменяли количество атомов кислорода, связанных с титаном.
Это изменение локальной координации драматически меняло поведение электронов, подобно тому, как расстановка мебели в комнате влияет на пути перемещения людей. Другими словами, различия лишь в атомном расположении приводили к совершенно разным паттернам накопления или истощения электронов — явление, которое исследователи описывают как разделение зарядов.
Микроскопия визуализирует разделение зарядов
Чтобы напрямую определить, где и как происходит это разделение зарядов, команда использовала передовую технику микроскопии с послойным сканированием, способную регулировать глубину фокуса с точностью до ангстрема. Этот подход позволил экспериментально визуализировать, как атомные конфигурации и электронное поведение коррелируют по всей границе раздела.
Профессор Чхве из POSTECH отметил: «Эта работа представляет собой значительный шаг вперёд, расширяя область исследований скрученных двухслойных структур, которая ранее ограничивалась двумерными материалами, на трёхмерные оксидные системы. В будущем сам угол скручивания может стать ключевым параметром проектирования для управления атомными и электронными структурами в электронных устройствах и функциональных материалах».
0 комментариев