Nuove possibilità per la microscopia a scansione tunnellizzata
Uno sguardo sotto la superficie: il team di ricerca dell'Università di Münster rende visibili le proprietà strutturali e magnetiche nascoste
Gli scienziati utilizzano la microscopia a scansione di tunnel per capire come le proprietà elettroniche o magnetiche di un materiale siano correlate alla sua struttura su scala atomica. Quando utilizzano questa tecnica, tuttavia, possono normalmente indagare solo lo strato atomico superiore di un materiale. La professoressa Anika Schlenhoff e il dottor Maciej Bazarnik, ricercatore post-dottorato dell'Istituto di Fisica dell'Università di Münster, sono riusciti per la prima volta a utilizzare un metodo di misurazione modificato per visualizzare le proprietà strutturali e magnetiche che si trovano sotto la superficie. Il team ha studiato uno strato sottilissimo di materiale magnetico (ferro) sotto uno strato bidimensionale di grafene.
A partire dall'immagine della superficie del campione, si possono osservare due immagini al microscopio. L'immagine superiore mostra un contrasto tra le posizioni del campione con diverse sequenze di impilamento, mentre l'immagine inferiore mostra una mappa della polarizzazione di spin locale, dovuta alla densità di spin all'interfaccia sepolta.
© ACS – AG Schlenhoff
Nella microscopia a scansione a effetto tunnel convenzionale, il segnale di misura è costituito dai cosiddetti stati elettronici sulla superficie del campione (la "corrente di tunnel" che scorre tra la punta della sonda e il campione). Nella variante di misurazione risonante utilizzata dal team, invece, sono stati analizzati gli stati situati davanti alla superficie. Apparentemente contraddittori, ma noti da tempo, questi stati speciali possono essere utilizzati per studiare il trasferimento di carica elettronica nelle interfacce sepolte all'interno del campione. Come hanno dimostrato i ricercatori, questi stati speciali possono essere utilizzati per rilevare le proprietà magnetiche locali di una pellicola di ferro ricoperta di grafene. La ragione fisica è che gli stati elettronici situati sopra la superficie penetrano sotto il grafene nel campione fino allo strato di ferro magnetico e diventano essi stessi magnetici attraverso l'interazione con il ferro.
Questo apre nuove possibilità di indagine", spiega Anika Schlenhoff. Possiamo ora utilizzare lo stesso microscopio a scansione per studiare lo strato superiore di un sistema a strati e lo strato interfacciale sepolto sotto di esso in termini di proprietà strutturali, elettroniche e magnetiche. Entrambi gli strati possono essere analizzati con una risoluzione spaziale eccezionalmente elevata, che si estende fino alla scala atomica".
Il team ha anche dimostrato che il metodo può essere utilizzato per ottenere informazioni sulla posizione locale degli strati l'uno rispetto all'altro. Ad esempio, la posizione degli atomi di carbonio del grafene varia localmente rispetto agli atomi di ferro sottostanti a causa delle diverse sequenze di impilamento. Le differenze nell'impilamento verticale non potevano essere risolte in precedenza per questo sistema di materiali utilizzando la microscopia a scansione di tunnel convenzionale", spiega Maciej Bazarnik. Ora si scopre che gli stati vicini alla superficie, utilizzati nella microscopia a scansione a tunnel risonante, sono sensibili alla sequenza di impilamento e permettono quindi di visualizzare queste differenze.
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Pubblicazione originale
Maciej Bazarnik, Anika Schlenhoff (2025): Image-Potential States on a 2D Gr–Ferromagnet Hybrid: Enhancing Spin and Stacking Sensing; ACS Nano (online first)
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