Materialien Wissenschaft auf einer Einzelnen Defekt-Stufe: Abmessungen der Komplexität

Durch Professor Sergei V. Kalinin

Professor Sergei V. Kalinin, die Mitte für Nanophase-Material-Wissenschaften, Oak Ridge Nationales Laboratorium, Oak Ridge, TN, USA. Entsprechender Autor: sergei2@ornl.gov

Die Anweisung, dass eine Materialfunktionalität durch Defekte gesteuert wird, ist möglicherweise das anerkannteste Paradigma der Materialwissenschaft, Festkörperelektrochemie und kondensierte Physik ebenso. Defekte definieren das elektronische und transportieren Funktionalität von Halbleitern, Stärke von strukturellen Materialien und Betriebslebenszeit von Energiespeicher- und -umwandlungseinheiten. Von einer grundlegenderen Perspektive verursacht Wechselwirkung zwischen Defekte und elastischen, magnetischen und elektrostatischen Langstreckeninteraktionen häufig eindeutige Eigenschaften von ferroelectric relaxors, von Drehbeschleunigungsgläsern und von Martensiten. Entsprechend holt ein quantitatives Atom-stufiges Verständnis der Materialfunktionalität auf dem Niveau des einzelnen Baufehlers einen Paradigmenwechsel in der Materialwissenschaft von der in großem Maße phänomenologischen Entwicklung zur wissensbasierten Auslegung und zur Optimierung.

Die Atom- und elektronische Zelle von Defekten ist jetzt dem Set von (Scannen) Transmissions-Elektronenmikroskopie Darstellungsmethoden [1] gut-zugänglich. Jedoch waren die Funktionalität auf einer einzelnen Defektstufe, es thermische Phasenübergänge, Vorspannung-induzierte Polarisationsschaltung oder elektrochemische Reaktionen oder Spannung-induzierte mechanische oder ferroelastic Phänomene, Geschenke eine heftier Herausforderung. Anwendung des globalen Auslöseimpulss in Form von Temperaturänderung oder einheitlichem magnetischem oder elektrischem Bereich aktiviert Phasenübergang an allen Defekten, die in der Anlage gleichzeitig vorhanden sind. Infolgedessen decken makroskopische und Darstellungsstudien den Effekt nur der stärksten Defekte auf.

Zum Beispiel pflanzt die Polarisationsschaltung, die an einer einzelnen Defektsite in einer ferroelectric Kondensatorzelle aktiviert ist, schnell durch das materielle Volumen fort und schließt prüfende Defektfunktionalität in den anliegenden Volumen aus. Bemerkenswert unter Verwendung des traditionellen nanoscience Anfluges der materiellen Beschränkung in Form von nanodots, dürfen Kabel oder Filme im Allgemeinen keinen Defekt trennen oder kennzeichnen - da neugeformte Oberflächen und Ränder dann neue Defektsites liefern!

Abbildung 1. Beschränkung des elektrischem, thermischem oder Spannungsbereichs durch die Scannenfühler-Mikroskopiespitze darf Transformation in einem Bändchen Materialien lokalisieren, die keine Defekte oder gut definierte einzelne Defekte umfassen können. Wenn die Doppelherausforderung des quantitativen Prüfens der verbundenen Transformationen im nanoscale Volumen- und Defektkennzeichen angenommen wird, erlaubt dieser Anflug prüfendes Zelleeigentum Verhältnis auf Einzeldefekt Stufe.

Ein alternativer Ansatz für die prüfende Materialfunktionalität, die aktiv durch Gruppe Oak Ridge Nationalen Laboratoriums (imaging.ornl.gov) ausgeübt wird in enger Zusammenarbeit mit Scannen-Transmissions-Elektronenmikroskopie Gruppe (stem.ornl.gov) ist der Gebrauch von materieller Beschränkung der Bereichbeschränkung eher dann. In diesen Experimenten fokussiert die SPM-Spitze einen elektrischen oder thermischen Bereich in einem nm Material und verursacht lokale Transformationen. Parallel stellt gemessene dynamische Spannung, Resonanzfrequenzschicht oder Qualitätsfaktor des Kragbalkens (piezoresponse Kraftmikroskopie, elektrochemische Spannungsmikroskopie) oder des Spitzeoberfläche Stroms (leitfähiges FLUGHANDBUCH) Informationen auf Prozessen im Material (die Polarisation, Gebietsgröße, Ionenantrag, zweite Phasenentstehung, schmelzend), verursacht durch lokale Auslöseimpulse zur Verfügung. Die Einzigartigkeit dieses Anfluges ist, dass Transformation im materiellen Volumenenthalten geprüft werden keinem oder die einzelnen erweiterten Defekte aussondern kann und eine Bahn für das Studieren von Phasentransformationen und von elektrochemischen Reaktionen auf einer einzelnen Defektstufe pflastern.

Jedoch wird die Einfachheit des Konzeptes durch die überraschende Komplexität von den experimentellen Techniken widerlegt, die benötigt werden, um mesoscopic Defektfunktionalität zu prüfen. Tatsächlich können die Hardwareplattformen für diese Studien auf 30.000+ SPMs weltweit verwirklicht werden. Jedoch benötigen diese Studien drastische Verbesserung in der Fähigkeit, mehrdimensionale Dateien, weit über hochmodernem (2D Darstellung oder spektralanalytische Darstellung 3D) auf dem Gebiet zu montieren und zu analysieren. Dieses Argument kann illustriert werden, wie folgt:

  • Das räumliche Scannen erfordert Datenerfassung über einem 2D dichten Gitter von Punkten
  • Die prüfende lokale Transformation benötigt ausgedehnten lokalen Auslöseimpuls (Spitzenvorspannung oder -temperatur) beim Messen der Antwort
  • Alle ersten Ordnungsphasenübergänge sind hysteretic und sind folglich Geschichtsabhängiges. Dieses erfordert erstes Ordnungsumkehrungs-Kurvenbaumuster die Studien und effektiv erhöht Dimensionalität der Daten (z.B. prüfende Preisach-Dichten)
  • Erster Ordnungsphasenübergang besitzen häufig die langsame Zeitdynamik misst, prüfende kinetische Hysterese erfordernd (und unterscheidet sie von der Thermodynamik) indem er Antwort als Funktion der Zeit
  • Der Befund von Kraft-basiertem SPMs erfordert prüfende Antwort in einem Frequenzband um Resonanz (da Eigenfrequenz die abhängige Stellung sein kann und Einfrequenzmethoden diese Änderungen [2]) erfassen nicht können.

Gesamt, erfordern diese Anforderungen Größe der Datensätze 4D, 5D und 6D (0,5 - 30 GB-Bild) und bringen die offensichtlichen Herausforderungen des Datenspeichers, der Dimensionalitätsreduzierung, der Sichtbarmachung und der Interpretation hervor. Die Entwicklung von diesen mehrdimensionales SPMs ist ein Fokus der Forschungsaktivität in ORNL-Mitte für Nanophase-Materialwissenschaften, mit vielen von relevanten Beispielen des Prüfens von ferroelectric Polarisationsschaltungs- und -phasenübergängen, von elektrochemischen Reaktionen in den Li-Ion- und Sauerstoffleitern und von lokalem Glas und des Schmelzens von den Übergangstemperaturen gewesen, die in den neuen Zusammenfassungen [3,4] zusammengefasst werden. Insbesondere denn Materialien mit künstlich ausgeführter Defektzellen-Polarisationsschaltung auf eine einzelne Defektstufe geprüft werden und mit den Ergebnissen des Phasebereichs direkt verglichen werden kann die Formung und das erste Beispiel des Phasenüberganges geprüft worden und verstanden auf einer einzelnen Defektstufe [5] bereitstellen. Das neue Auftauchen der elektrochemischen Spannungsmikroskopie (ESM) [6,7] hält das Versprechen für das Ausdehnen dieser Anflüge für das Prüfen von Gas-Körperreaktionen, von electorcatalysis und von Ionendynamik in den Materialien wie Li-Ion- und Li-Luft Batterien, von Brennstoffzellen und von memristive Elektronik an.

Die zweite Schlüsselherausforderung ist die Sammlung von waagerecht ausgerichteten strukturellen atomarinformationen des Defektes, das Aufgabenbeste, das durch hoch entwickelte Elektronenmikroskopiehilfsmittel erzielt wird. Dieser Anflug wird in Fig. 2 illustriert und stellt das erste Beispiel der Polarisationsschaltung dar, ist ein multiferroic Material, das durch einen voreingenommenen SPM-Fühler [8] verursacht wird. Die Zukunft sieht die Kombination der lokalen SPM-Erregung mit fokussiertem Röntgenstrahl und Elektronenmikroskopiefühlern.

Abbildung 2. (a) Künstlerische Vision von kombinierter (Scannen) Transmissions-Elektronenmikroskopie - Scannenfühler-Mikroskopexperiment. Hier (S) stellt TEM waagerecht ausgerichtete strukturelle und elektronische atomarinformationen auf Änderungen im Material zur Verfügung, das durch den Bereich verursacht wird, der durch einen SPM-Fühler begrenzt wird. (b) Schaltung des Ferroelectric Gebietes in der STAMM-Geometrie. Datenhöflichkeit von A. Borisevich und von H.J. Chang und Ähnliches dem in Bezug [6].

, Das Vorhandensein und die Interaktionen von den mehrfachen Baufehlern, die durch elastische, elektrostatische und Ionenkonzentrationslangstreckenbereiche sind die vermittelt werden, Ursprung der Komplexität der realistischen Materialien Gesamt-. Der SPM-Bereich-Beschränkungsanflug darf Materialfunktionalität auf den einzelnen Defekten gerade erforschen. Während Hardwareplattformen leicht verfügbar sind, benötigen quantitative Studien einen bedeutenden Anstieg in der Komplexität und in der Dimensionalität der Datenerfassung und der Analyse. Möglicherweise stellt dieses die Erhaltungssätze der Komplexität dar - wir können Sachen nicht einfacher machen, können wir Komplexität zwischen Materialien und Maße nur verschieben.

Forschung unterstützt durch das US-Energieministerium, Grundlegenden die Energie-Wissenschaften, die Material-Wissenschaften und die Technik-Abteilung und in der Mitte für Nanophase-Material-Wissenschaften, ein (SVK) DOE-BES Leistungsmerkmal teilweise durchgeführt.

Elektrochemische Spannungs-Mikroskopie ist als Benutzertechnik in der Mitte für Nanophase-Material-Wissenschaften, DAMHIRSCHKUHleistungsmerkmal erhältlich. Zusätzliche Information kann bei www.cnms.ornl.gov gefunden werden


Bezüge

  1. S.J. Pennycook und P.D. Nellist (Eds.), Scannen-Transmissions-Elektronenmikroskopie: Darstellung und Analyse, Springer 2011
  2. S. Jesse, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf und B.J. Rodriguez, die Banderregungsmethode in der Scannenfühlermikroskopie für das schnelle Abbilden der Energiedissipation auf dem nanoscale, Nanotechnologie 18, 435503 (2007).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen und B.J. Rodriguez, Lokale Polarisationsdynamik in den ferroelectric Materialien, Repräsentant. Prog. Phys. 73, 056502 (2010).
  4. S. Jesse und S.V. Kalinin, Banderregung in der Scannenfühlermikroskopie: Sinus der Änderung, J. Phys. D 44, 464006 (2011).
  5. B.J. Rodriguez, S. Choudhury, Y.H. Chu, A. Bhattacharyya, S. Jesse, K. Seal, A.P. Baddorf, R. Ramesh, L.Q. Chen und S.V. Kalinin, Entwirrend Deterministische Mesoscopic-Polarisations-Schaltungs-Vorrichtungen: Räumlich Entschlossene Studien einer Neigungs-Kristallgrenze im Wismut-Ferrit, Adv. Funktionell. Matte. 19, 2053 (2009).
  6. N. Balke, S. Jesse, A.N. Morozovska, E. Eliseev, D.W. Chung, Y. Kim, L. Adamczyk, R.E. Garcia, N. Dudney und S.V. Kalinin, Nanoscale Abbilden der Ionendiffusion in einer Lithium-Ionen-Batterie-Kathode, Natur-Nanotechnologie 5, 749 (2010).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin und S. Jesse, Messende Sauerstoffreduzierung/Entwicklungsreaktionen auf dem nanoscale, Natur-Chemie 3, 707 (2011).
  8. H.J. Chang, S.V. Kalinin, S. Yang, P. Yu, S. Bhattacharya, P.P. Wu, N. Balke, S. Jesse, L.Q. Chen, R. Ramesh, S.J. Pennycook und A.Y. Borisevich, Überwachende Gebiete wachsen: In-situstudien der Polarisationsschaltung durch kombinierten Scannenfühler und ScannenTransmissions-Elektronenmikroskopie, J. Appl. Phys. 110, 052014 (2011).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:21

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