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Ciencia Material en un Único Nivel del Defecto: Dimensiones de la Complejidad

Por Profesor Sergei V. Kalinin

Profesor Sergei V. Kalinin, El Centro para las Ciencias Materiales de Nanophase, Laboratorio Nacional de la Oak Ridge, la Oak Ridge, TN, los E.E.U.U.. Autor Correspondiente: sergei2@ornl.gov

La declaración que las funciones de los materiales son controladas por defectos es quizás el paradigma reconocido de la ciencia material, electroquímica de estado sólido, y condensó la física igualmente. Los Defectos definen el electrónico y transportan funciones de semiconductores, la fuerza de materiales estructurales, y tiempos operativos de la vida de los dispositivos del almacenamiento y de la conversión de energía. De una perspectiva más fundamental, la interacción entre los defectos y elásticos, magnéticas, y electroestáticas acciones recíprocas de largo alcance da lugar a las propiedades a menudo únicas de relaxors, de cristales de barrena, y de martensitas ferroeléctricos. Correspondientemente, una comprensión cuantitativa del atómico-nivel de las funciones de los materiales en el nivel de único defecto estructural traerá una rotación del paradigma en la ciencia material del revelado en gran parte fenomenológico al diseño y a la optimización conocimiento-impulsados.

La estructura atómica y electrónica de defectos es bien-favorable ahora al conjunto de los métodos de la proyección de imagen de la microscopia electrónica de transmisión (de la exploración) [1]. Sin Embargo, las funciones en un único nivel del defecto, eran él las transiciones de fase térmicas, transferencia polarizado-inducida de la polarización o reacciones electroquímicas, o fenómenos mecánicos o ferroelastic deformación-inducidos, presentes un reto más fuerte. La Aplicación del estímulo global bajo la forma de variación de la temperatura o campo magnético o eléctrico uniforme activa la transición de fase en todos los defectos presentes en sistema simultáneamente. Por Lo Tanto, los estudios macroscópicos y de la proyección de imagen revelarán el efecto solamente de los defectos más fuertes.

Por ejemplo, la transferencia de la polarización activada en un único sitio del defecto en una estructura ferroeléctrica del condensador propagará rápidamente a través del volumen material, impidiendo sondando funciones del defecto en volúmenes adyacentes. ¡Notable, usando la aproximación tradicional del nanoscience del arresto material bajo la forma de nanodots, los cables, o las películas no permitirán generalmente el aislar o el determinar de un defecto - puesto que las superficies y los bordes recién formado después proporcionan a nuevos sitios del defecto!

El Cuadro 1. Arresto del campo eléctrico, térmico, o de deformación por la punta de la microscopia de la antena de la exploración permite el localizar de la transformación en un pequeño volumen de materiales que no puedan incluir ningún defecto o únicos defectos bien definidos. Si el reto doble del sondeo cuantitativo de transformaciones asociadas en la identificación del volumen y del defecto del nanoscale se resuelve, esta aproximación permitirá el sondar de lazo de la estructura-propiedad en nivel del único-defecto.

Un enfoque alternativo para las funciones de sondeo de los materiales perseguidas activamente por el grupo del Laboratorio Nacional de la Oak Ridge (imaging.ornl.gov) en la colaboración cercana con el grupo de la Microscopia Electrónica De Transmisión de Exploración (stem.ornl.gov) es el uso del arresto material del arresto del campo bastante entonces. En estos experimentos, la punta de SPM enfoca un campo eléctrico o térmico en un nanómetro de material, induciendo transformaciones locales. Paralelamente, la deformación, la rotación de frecuencia de la resonancia, o el factor de calidad dinámica medida del voladizo (microscopia de la fuerza del piezoresponse, microscopia electroquímica de la deformación) o de la corriente de la punta-superficie (AFM conductor) proporciona a la información en procesos en el material (polarización, talla del dominio, movimiento iónico, segunda formación de la fase, fundiendo) inducido por los estímulos locales. La unicidad de esta aproximación es que la transformación puede ser sondada en contener material de los volúmenes ningún o escoger los defectos extendidos individuales, pavimentando un camino para estudiar transformaciones de la fase y reacciones electroquímicas en un único nivel del defecto.

Sin Embargo, la simplicidad del concepto es desmentida por la complejidad asombrosamente de las técnicas experimentales requeridas para sondar funciones mesoscopic del defecto. De Hecho, las plataformas de dotación física para estos estudios se pueden observar en 30.000+ SPMs por todo el mundo. Sin Embargo, estos estudios requieren la mejoría drástica en capacidad cerco y analizar conjuntos de datos multidimensionales, bastante más allá del estado plus ultra (2.a proyección de imagen o la proyección de imagen espectroscópica 3D) en el campo. Este argumento puede ser ejemplificado como sigue:

  • La exploración espacial necesita de adquisición de datos sobre una 2.a matriz densa de puntas
  • La transformación local de sondeo requiere el estímulo local arrebatador (polarizado o temperatura de la punta) mientras que mide la reacción
  • Todas Las primeras transiciones de fase de la orden son hysteretic y por lo tanto son dependiente de la historia. Esto necesita el primer tipo estudios de la curva de la revocación de la orden, aumentando efectivo la dimensionalidad de los datos (e.g las densidades de sondeo de Preisach)
  • La Primera transición de fase de la orden posee a menudo la dinámica lenta del tiempo, necesitando histéresis cinética de sondeo (y distinguiéndola de la termodinámica) midiendo la reacción en función de tiempo
  • La detección de SPMs fuerza-basado necesita la reacción de sondeo en una banda de frecuencia alrededor de resonancia (puesto que la frecuencia resonante puede ser dependiente de la posición y los métodos de la único-frecuencia no puede capturar estos cambios [2]).

Totales, estos requisitos necesitan talla de los grupos de datos 4D, 5D, y 6D (imagen de 0,5 - 30 GB), y producen los retos obvios del almacenamiento de datos, de la reducción de la dimensionalidad, de la visualización, y de la interpretación. El revelado de estos SPMs multidimensional ha sido un enfoque de la actividad de investigación en el Centro de ORNL para las ciencias Materiales de Nanophase, con muchos de ejemplos relevantes de sondar transiciones ferroeléctricas de la transferencia y de fase de la polarización, de reacciones electroquímicas en conductores del Li-Ión y del oxígeno, y de cristal local y de fundir las temperaturas de transición resumidas en las revistas recientes [3,4]. Particularmente, porque los materiales con la transferencia artificial dirigida de la polarización de las estructuras de defecto se puede sondar en un único nivel del defecto y comparar directamente a los resultados del fase-campo el modelado, proporcionando al primer ejemplo de la transición de fase sondado y entendido en un único nivel del defecto [5]. La aparición reciente de la microscopia electroquímica de la deformación (ESM) [6,7] mantiene la promesa para ampliar estas aproximaciones para sondar reacciones gas-sólido, electorcatalysis y dinámica iónica en materiales tales como baterías del Li-Ión y del Li-Aire, las pilas de combustible, y electrónica memristive.

El segundo reto dominante es la colección de información estructural nivelada atómica del defecto, el mejor de la tarea logrado por las herramientas avanzadas de la microscopia electrónica. Esta aproximación se ejemplifica en Fig. 2, ilustrando el primer ejemplo de la transferencia de la polarización es un material multiferroic inducido por una antena en polarización negativa de SPM [8]. El futuro considerará la combinación de la excitación local de SPM con la Radiografía y las antenas enfocadas de la microscopia electrónica.

Cuadro 2. (a) visión Artística de la microscopia electrónica de transmisión combinada (de la exploración) - experimento del microscopio de la antena de la exploración. Aquí, (S) TEM proporciona a la información estructural y electrónica nivelada atómica en cambios en el material inducido por el campo lindado por una antena de SPM. (b) Transferencia del dominio Ferroeléctrico en la geometría del VÁSTAGO. Cortesía de los Datos de A. Borisevich y de H.J. Chang y similar a eso en la Referencia. [6].

Totales, la presencia y las acciones recíprocas de los defectos estructurales múltiples mediados por los campos elásticos, electroestáticos, e iónicos de largo alcance de la concentración son los orígenes de la complejidad de materiales del mundo real. La aproximación del arresto del campo de SPM permite el explorar de funciones de los materiales en los únicos defectos llano. Mientras Que las plataformas de dotación física son fácilmente disponibles, los estudios cuantitativos requieren un aumento importante en complejidad y la dimensionalidad de adquisición de datos y del análisis. Quizás esto ilustra las leyes de protección de la complejidad - no podemos hacer cosas más simples, podemos desviar solamente complejidad entre los materiales y las mediciones.

Investigación utilizada por el Ministerio de los E.E.U.U. de Energía, Ciencias Básicas de la Energía, Ciencias Materiales y División de Ingeniería y realizada parcialmente en el Centro para las Ciencias Materiales de Nanophase (SVK), un recurso del utilizador de DOE-BES.

La Microscopia Electroquímica de la Deformación está disponible como técnica del utilizador en el Centro para las Ciencias Materiales de Nanophase, recurso del utilizador de la GAMA. La información Adicional se puede encontrar en www.cnms.ornl.gov


Referencias

  1. S.J. Pennycook y P.D. Nellist (Eds.), Microscopia Electrónica De Transmisión de Exploración: Proyección De Imagen y Análisis, Saltador 2011
  2. S. Jesse, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf, y B.J. Rodriguez, El método de la excitación de la banda en la microscopia de la antena de la exploración para la correspondencia rápida de la disipación de energía en el nanoscale, Nanotecnología 18, 435503 (2007).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen, y B.J. Rodriguez, dinámica Local en materiales ferroeléctricos, Representante de la polarización. Prog. Phys. 73, 056502 (2010).
  4. S. Jesse y S.V. Kalinin, excitación de la Banda en microscopia de la antena de la exploración: Senos del cambio, 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, y S.V. Kalinin, Desenredando Mecanismos Deterministas de la Transferencia de la Polarización de Mesoscopic: Estudios Espacial Resueltos de un Límite de Grano de la Inclinación en la Ferrita del Bismuto, Adv. Funcional. Estera. 19, 2053 (2009).
  6. N. Balke, S. Jesse, A.N. Morozovska, E. Eliseev, D.W. Chungkin, Y. Kim, L. Adamczyk, R.E. García, N. Dudney, y S.V. Kalinin, correspondencia de Nanoscale de la difusión en un cátodo de la batería de ión de litio, Nanotecnología 5, 749 del ión de la Naturaleza (2010).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin, y S. Jesse, reducción de Medición del oxígeno/reacciones de la evolución en el nanoscale, Química 3, 707 de la Naturaleza (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, y A.Y. Borisevich, los dominios de Observación crecen: Estudios "in-situ" de la transferencia de la polarización por la antena y la microscopia electrónica de transmisión combinadas de exploración, J. Appl de la exploración. Phys. 110, 052014 (2011).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:51

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