Атомный сдвиг на наноуровне дал ученым мощный контроль над металлами

Исследователи нашли способ кардинально изменить электронные свойства металла, просто регулируя его толщину на наноуровне. Кредит: AI/ScienceDaily.com

Исследователи из Университета Миннесоты (Twin Cities) продемонстрировали неожиданный новый способ изменения электронного поведения металла. Тщательно управляя атомными взаимодействиями в месте контакта двух материалов, команде удалось значительно изменить свойства металлического материала.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что явление, известное как межфазная поляризация, может быть использовано для регулировки поверхностной работы выхода металлического диоксида рутения (RuO2) более чем на 1 электронвольт (эВ). Эффект был достигнут простым изменением толщины ультратонкой пленки на несколько нанометров.

Атомный контроль свойств металлов

Поляризация обычно ассоциируется с изоляционными материалами и сегнетоэлектриками, а не с металлами. Однако исследователи нашли способ стабилизировать поляризацию в металлической системе и использовать ее для влияния на электронное поведение.

«Мы часто думаем о поляризации как о чем-то, присущем изоляторам или сегнетоэлектрикам, но не металлам, — сказал Бхарат Джалан, профессор и заведующий кафедрой Shell в Департаменте химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты. — Наша работа показывает, что с помощью тщательного проектирования интерфейса можно стабилизировать поляризацию в металлической системе и использовать ее как ручку для настройки электронных свойств. Это открывает совершенно новый способ мышления об управлении металлами».

Команда обнаружила, что эффект сильно зависит от толщины слоя металла. Наиболее драматичные изменения произошли, когда пленка диоксида рутения достигла толщины примерно 4 нанометра, что примерно равно ширине одной нити ДНК.

Критический переход на 4 нанометрах

При такой толщине металл переходит из напряженного состояния, вызванного подстилающим материалом, в более расслабленное атомное расположение. Результаты предоставляют прямые доказательства того, что способ организации атомов внутри материала может оказывать измеримое влияние на его электронные характеристики.

«Это было неожиданно, — сказал Сын Гё Чон, первый автор исследования и исследователь в группе Джалана. — Мы ожидали тонких интерфейсных эффектов, но не такого большого и контролируемого изменения работы выхода. Возможность визуализировать полярные смещения на атомном уровне и напрямую связать их с электронными измерениями была особенно захватывающей».

Наблюдая за крошечными атомными движениями и связывая их с большими электронными изменениями, исследователи смогли показать, как инженерия интерфейсов может быть использована в качестве мощного инструмента для управления металлами.

Потенциальные применения в электронике и квантовых технологиях

В дополнение к углублению понимания учеными фундаментальной физики, это открытие может помочь в разработке будущих электронных устройств, каталитических систем и квантовых технологий.

В исследовании приняли участие сотрудники Университета Миннесоты (Twin Cities), Массачусетского технологического института, Техасского университета A&M, Института науки и технологий Кванджу и Школы физики Университета Миннесоты (Twin Cities).

Финансирование работы было предоставлено Министерством энергетики США и Управлением научных исследований ВВС США.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Миннесоты.

Seung Gyo Jeong, Bonnie Y. X. Lin, Mengru Jin, In Hyeok Choi, Seungjun Lee, Zhifei Yang, Sreejith Nair, Rashmi Choudhary, Juhi Parikh, Anand Santhosh, Matthew Neurock, Kelsey A. Stoerzinger, Jong Seok Lee, Tony Low, Qing Tu, James M. LeBeau, Bharat Jalan. Strain-stabilized interfacial polarization tunes work function over 1 eV in RuO2/TiO2 heterostructures. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-69200-x