29 de agosto de 2022&bala; Física 15, 129

Los investigadores demostraron una forma de medir los estados electrónicos de la superficie de un material evitando la contaminación de las señales de las capas más profundas.

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Los estados electrónicos de la superficie de un material pueden ser solo bidimensionales, pero proporcionan una profundidad de física interesante. Estos estados, que difieren de los de la masa de la materia, dominan muchos fenómenos, como la conductividad eléctrica, el magnetismo y la catálisis, y son responsables de los efectos superficiales no simples que se encuentran en materiales y sistemas topológicos con una fuerte interacción espín-órbita. Los estados electrónicos superficiales también controlan las propiedades de los llamados materiales bidimensionales, como el grafeno. Para comprender los fenómenos de la superficie y aprovecharlos en dispositivos prácticos, los investigadores se basan principalmente en la espectroscopia de fotoemisión, que mide la energía y el momento de los electrones emitidos cuando los fotones golpean la materia. La alta resolución con la que se puede distinguir la energía y el momento de los electrones permite a los físicos medir la estructura de bandas y la densidad de estados (DOS) en las pocas capas superficiales donde se originan los fotoelectrones que escapan. Sin embargo, la contribución de los electrones a granel a las señales de fotoemisión dificulta obtener solo los estados electrónicos de la capa más externa de la muestra. Alexander Fairchild de la Universidad de Texas en Arlington (UTA) y sus colegas ahora han inventado un nuevo método, basado en una modificación de una técnica de liberación de electrones usando positrones en lugar de fotones, para determinar selectivamente el DOS electrónico de la primera capa superficial sin ningún contribuciones de la mayor parte [1].

La técnica del equipo, denominada adhesión de superficie de positrones mediada por Auger (AMPS), no es la primera que puede identificar los estados electrónicos de la capa superior de un material. Hasta la fecha, se han creado varios métodos de este tipo, los más famosos son la microscopía de imágenes espectroscópicas y la tunelización de barrido. [2]. En este método, la transformada de Fourier de una imagen del espacio real permite a los investigadores medir la superficie del DOS local y mapear estados electrónicos en el espacio k. La limitación es que la muestra debe ser eléctricamente conductora. Un segundo método para probar los estados electrónicos de la superficie es la espectroscopia de desexcitación atómica, en la que la superficie de un material se examina con átomos (generalmente helio) que han sido excitados a un estado electrónico estacionario. [3]. Estos átomos inestables recogen electrones de la primera capa superficial, lo que hace que los átomos se desintegren hasta el estado fundamental. Proporciona el exceso de energía liberado a través de la descomposición de DOS de la primera capa superficial. Una limitación de esta técnica es el hecho de que la disolución en los metales se produce mediante el llamado proceso Auger en el que intervienen dos electrones, lo que dificulta la reconstrucción de las bandas electrónicas. Se requieren nuevos métodos para compensar las debilidades de estas tecnologías.

Un enfoque prometedor es la espectroscopia de positronio. En este método, un haz de positrones escaneado a través de la muestra implanta positrones en la región del subsuelo. Estos positrones se propagan de regreso a la superficie y, después de capturar electrones, se emiten como positronio, un estado asociado con el electrón y el positrón. En la masa de la muestra, la alta densidad de electrones oscurece la interacción de Coulomb entre el positrón y el electrón, lo que significa que el positronio se forma solo en la región de baja densidad de electrones fuera de la superficie exterior del material, donde se desvanece el efecto de pantalla. Esto asegura que las partículas de positronio detectadas lleven la información de energía y momento sobre los electrones solo en la primera capa superficial. Recientemente, un grupo de la Universidad de California, Riverside, logró obtener el DOS de una superficie de cobre midiendo el espectro de energía de positronio con una resolución de energía de meV. [4]mientras que mi propio grupo observó estados electrónicos polarizados por espín de ciertas superficies ferromagnéticas [5]. Sin embargo, este método es aplicable solo a sistemas con una función de acción de positronio negativa, es decir, sistemas en los que los átomos de positronio se emiten espontáneamente. Por ejemplo, los aisladores topológicos basados ​​en bismuto, que se utilizan ampliamente en modelos para investigar materiales topológicos, tienen una función de trabajo positiva para el positronio y, por lo tanto, no pueden investigarse mediante espectroscopia de positronio. El nuevo método AMPS no tiene tal restricción.

El nuevo método surge del trabajo realizado por el grupo de la UTA para desarrollar haces de positrones orientados magnéticamente y de baja energía para la espectroscopia de electrones Auger inducida por la aniquilación de positrones, en la que los positrones en el modelo de muestra muestran estados ligados en la superficie de la muestra. [6]. Eventualmente, estos positrones se aniquilan junto con los electrones del núcleo de los átomos de la superficie, dejando huecos en el núcleo. A medida que los electrones de estados superiores hacen la transición para llenar los huecos del núcleo, se emite un exceso de energía a través de los electrones Auger, cuyas energías transmiten información sobre el estado electrónico de la superficie. Si el ancho de banda de valencia es lo suficientemente grande (10-20 eV), los electrones Auger de la banda de valencia también se emiten por la transición de los electrones de valencia a los agujeros de valencia más profundos. [7]. (El espectro del proceso Auger “VVV” se ha pasado por alto durante mucho tiempo en la espectroscopia electrónica Auger tradicional).

El grupo de la UTA descubrió un espectro de electrones Auger adicional, diferente tanto de los picos del agujero del núcleo como del espectro VVV, que aparece cuando la energía del positrón supera un cierto umbral. Este espectro, explotado por AMPS, refleja la contribución de un proceso de emisión Auger característico en el que los positrones no penetran en la muestra sino que son capturados en los potenciales de espejo formados fuera de la superficie. Dado que no hay necesidad de emisión espontánea de átomos de positronio, esta técnica se puede utilizar para caracterizar materiales con una función de acción de positronio positiva. Debido a que los positrones interactúan con los electrones de la superficie a través de fotones “virtuales” que no penetran en la muestra, el espectro de energía de los electrones Auger emitidos a través del proceso AMPS representa el DOS solo de la capa de la superficie exterior. El equipo confirmó la especificidad de superficie de AMPS aplicando la técnica a una superficie de cobre limpia y a una sola capa de grafeno sobre un sustrato de cobre (Fig. 1). Descubrieron que la forma del espectro AMPS difería significativamente para las dos superficies: el espectro para la superficie de cobre limpia mostró una característica amplia determinada por la contribución del material 3Dr y 4s electrones, mientras que el grafeno mostró la forma DOS esperada de “cono de Dirac” sin contribución de la capa central de cobre.

Hay muchas aplicaciones potenciales del método de espectroscopia que son sensibles solo a la superficie de DOS. Si bien Fairchild y sus colegas demostraron que el grafeno puro en Cu mantiene la dispersión lineal característica de los conos de Dirac, se espera que los conos de Dirac de grafeno en otros metales 3D, como el cobalto y el níquel, se destruyan debido a la mejor coincidencia de red entre el grafeno y esos metales. [8]. Un estudio sistemático de la modificación de la estructura de la banda de grafeno en función del material del sustrato sería importante para confirmar esta predicción. [9]. Los estados de superficie topológicos también pueden ser interesantes en un contexto similar. El análisis de energía del método AMPS es de aproximadamente 0,2 – 0,5 eV para energías de electrones de 1-5 eV [10]. Será necesario mejorar esta resolución para monitorear el DOS de superficie con más detalle. Tal optimización haría que la observación de la brecha de energía en algunos superconductores 2D fuera una posibilidad realista, lo que podría confirmar la presencia de pares de Cooper en la capa superior del superconductor. Además, si la espectroscopia AMPS polarizada por espín está disponible, se pueden contemplar otras aplicaciones en electrónica inferior.

Sobre el Autor

Atsuo Kawasuso es investigador sénior en los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica de Japón. Desde 1995, ha trabajado en el desarrollo de sensores de haz de positrones y su aplicación a problemas de ciencia de materiales. En 1998, demostró con éxito la difracción de positrones de alta energía desde la superficie del silicio utilizando un haz de positrones electrostático basado en isótopos. Actualmente está desarrollando técnicas de haz de positrones polarizados en x para aplicaciones de electrónica x.

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