Tomando una radiografía de un enlace atómico
Comprender el comportamiento de los materiales en sus interfaces - donde se conectan e interactúan con otros materiales - es fundamental para la ingeniería de una variedad de dispositivos utilizados para procesar, almacenar y transferir información. Dispositivos como los transistores, la memoria magnética y los láseres podrían mejorar a medida que los investigadores profundicen en la naturaleza de estos enlaces, que afectan a las propiedades de conductividad y magnetismo de los materiales.
Se trata de una representación artística de una radiografía interactuando con capas que contienen diferentes caracteres orbitales. Los orbitales de carácter iónico son de color verde; mientras que los orbitales de carácter covalente son de color rosa.
Image courtesy of Tiffany Bowman, Brookhaven National Lab.
En este esfuerzo, el Dr. Steven May y sus colegas de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel, junto con investigadores de la Universidad de Saskatchewan y los laboratorios nacionales Lawrence Berkeley, Brookhaven y Argonne han demostrado recientemente un nuevo enfoque para examinar - con precisión de la capa atómica - los cambios en el comportamiento de los electrones en las interfaces entre dos materiales.
En particular, el enfoque proporciona una visión de cómo el grado de unión covalente e iónica entre los átomos de metal y oxígeno se altera al pasar de un material a otro.
La demostración de este método, que se publicó recientemente en la revista Advanced Materials, proporciona a los científicos un poderoso recurso para desbloquear el potencial de los materiales de ingeniería a nivel atómico.
"Estas interfaces pueden impartir nueva funcionalidad en las pilas de materiales, pero estudiar directamente cómo las propiedades de los electrones en las interfaces difieren de los electrones no interfase requiere técnicas que pueden resolver espacialmente las propiedades a través de las capas atómicas individuales", dijo May, un profesor en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería en Drexel. "Por ejemplo, una medición de la conductividad de un material proporciona información sobre su capacidad promedio de conducir electricidad pero no revela diferencias entre cómo se comportan los electrones en las interfaces y fuera de ellas".
La unión iónica y covalente es un concepto central en la ciencia de los materiales que describe cómo los átomos se mantienen unidos para formar materiales sólidos. En un enlace iónico, los electrones de un átomo se transfieren a otro átomo. La atracción entre el ión cargado positivamente resultante - catión - y el ión cargado negativamente - anión - es lo que atrae a los átomos, creando así un vínculo. Por el contrario, un vínculo covalente se forma cuando dos átomos comparten sus electrones entre sí - en lugar de transferirlos completamente.
La comprensión del comportamiento de los electrones en un enlace atómico es un factor importante para entender o predecir el comportamiento de los materiales. Por ejemplo, los materiales con enlaces iónicos tienden a ser aislantes que bloquean el flujo de electricidad; mientras que los materiales con enlaces covalentes pueden ser conductores de electricidad.
Pero muchos materiales contienen enlaces que se describen mejor como una mezcla de iónicos y covalentes. En estos materiales, el grado en que el enlace es iónico o covalente influye fuertemente en sus propiedades electrónicas.
"Los detalles de esta mezcla dependen de las órbitas de los electrones de mayor energía, los que forman los enlaces", dijo May. "El carácter orbital de estos electrones, a su vez, tiene profundos efectos en su comportamiento electrónico y magnético. Mientras que los científicos han desarrollado enfoques computacionales para describir cuán covalente o iónico es un enlace, la medición experimental de cómo el carácter orbital de los electrones o los cambios en la covalencia a través de las interfaces sigue siendo un desafío significativo en la investigación de materiales".
El enfoque del equipo para realizar esta medición experimental implica una técnica llamada reflectividad de rayos X resonante. Experimentos como éste sólo pueden realizarse en las grandes instalaciones de rayos X de sincrotrón, como las que opera el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Estos enormes laboratorios generan una radiación de rayos X para sondear la estructura de los materiales.
En un experimento de reflectividad, los investigadores analizan el patrón de rayos X que se dispersan del material para entender la densidad electrónica relativa dentro de un material. Los datos de reflectividad pueden ser usados para determinar la concentración de electrones, en relación a su distancia de la superficie del material.
Al sintonizar la longitud de onda de los rayos X para excitar las transiciones electrónicas específicas de los elementos individuales de la pila de materiales, el equipo pudo medir las contribuciones electrónicas de cada elemento a su enlace compartido, revelando así cuán iónico o covalente es el enlace.
"Esto es algo así como la forma en que los climatólogos utilizarían las muestras de hielo para analizar la composición química de cada capa en función de la profundidad desde la superficie", dijo May. "Podemos hacer lo mismo a escala atómica usando la reflectividad de los rayos X. Pero la información que estamos obteniendo nos dice sobre el carácter orbital de los electrones y cómo éste cambia de una capa atómica a la siguiente".
Los materiales utilizados en el estudio están compuestos por capas alternas de dos compuestos de óxido metálico de transición - ferrita de estroncio y ferrita de calcio. Estos materiales son de interés porque exhiben muchos de los comportamientos electrónicos exóticos que se encuentran en los materiales cuánticos, incluyendo el cambio de los estados metálicos a los aislantes a medida que se enfrían.
En el corazón de las inusuales propiedades de estos materiales se encuentra el enlace hierro-oxígeno. La teoría predice que el enlace en este material es mucho más covalente que los típicos enlaces hierro-oxígeno, que tienden a ser bastante iónicos en la mayoría de los compuestos que contienen hierro.
Utilizando el enfoque de reflectividad de rayos X, el equipo pudo medir - por primera vez - cómo las contribuciones de oxígeno y hierro al carácter electrónico difieren en las capas y en la interfaz de los dos compuestos.
"Al probar individualmente la densidad electrónica de los estados de oxígeno y los estados de hierro, pudimos determinar el grado de covalencia entre el hierro y el oxígeno a través de estas interfaces de óxido a escala atómica", dijo Paul Rogge, PhD, un investigador postdoctoral de Drexel que es el primer autor del artículo. "Nos sorprendió encontrar un cambio dramático en la covalencia entre los materiales porque sus estructuras electrónicas individuales son muy similares, pero al interconectar películas delgadas de estos dos materiales podemos ajustar su estructura física y así alterar su unión atómica, lo que en última instancia afecta a sus propiedades electrónicas y magnéticas".
Comprender cómo funcionan las interfaces de materiales inusuales, como las de los materiales cuánticos, podría ser el primer paso para aprovechar sus propiedades para mejorar la potencia de procesamiento, el almacenamiento y las capacidades de comunicación de los dispositivos electrónicos.
"De cara al futuro, estamos entusiasmados con la aplicación de esta técnica a otras clases de materiales cuánticos, como aislantes topológicos y semimetales, para obtener nuevos conocimientos sobre cómo las interfaces alteran el carácter magnético y electrónico de esos materiales", dijo May. "Debido a que la mayoría de los dispositivos electrónicos y magnéticos dependen de interfaces para operar, tener un profundo conocimiento de cómo se comportan los electrones en las interfaces es crítico para el diseño de futuras tecnologías electrónicas".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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