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Science Des Matériaux à un Niveau Unique de Défaut : Cotes de Complexité

Par Professeur Sergei V. Kalinin

Professeur Sergei V. Kalinin, Le Centre pour des Sciences Des Matériaux De Nanophase, Laboratoire National d'Oak Ridge, Oak Ridge, TN, ETATS-UNIS. Auteur Correspondant : sergei2@ornl.gov

La déclaration qu'une fonctionnalité de matériaux est réglée par des défauts est peut-être le paradigme le plus identifié de la science des matériaux, électrochimie semi-conductrice, et a condensé la physique de même. Les Défauts définissent l'électronique et transportent la fonctionnalité des semi-conducteurs, la force des matériaux structurels, et les temps de vie de fonctionnement des dispositifs de stockage et de conversion de l'énergie. D'un point de vue plus principal, l'effet entre les défauts et élastique, magnétique à longue portée, et les interactions électrostatiques provoque les propriétés souvent seules des relaxors, des glaces de rotation, et des martensites ferroélectriques. Également, une compréhension niveau atomique quantitative de fonctionnalité de matériaux au niveau de l'anomalie de structure unique portera une variation de paradigme dans la science des matériaux du développement en grande partie phénoménologique au design et à l'optimisation motivés par la connaissance.

La structure atomique et électronique des défauts est maintenant bien-favorable à l'ensemble de techniques d'imagerie de microscopie électronique de boîte de vitesses (de lecture) [1]. Cependant, la fonctionnalité à un niveau unique de défaut, étaient lui des passages de phase thermiques, commutation polarisation-induite de polarisation ou réactions électrochimiques, ou phénomènes mécaniques ou ferroelastic tension-induits, présents un défi plus lourd. L'Application du stimulus global sous forme de variation de la température ou de champ magnétique ou électrique uniforme lance le passage de phase à tous les défauts actuels dans le système simultanément. En Conséquence, les études macroscopiques et de représentation indiqueront l'effet seulement des défauts les plus intenses.

Par exemple, la commutation de polarisation lancée à un site unique de défaut dans une structure ferroélectrique de condensateur propagera rapidement par le volume matériel, excluant sondant la fonctionnalité de défaut en volumes adjacents. Remarquablement, utilisant l'élan traditionnel de nanoscience du confinement matériel sous forme de nanodots, les fils, ou les films ne laisseront généralement pas isoler ou recenser un défaut - puisque les surfaces et les arêtes récemment formées puis fournissent les sites neufs de défaut !

Le Schéma 1. Confinement de la zone électrique, thermique, ou de tension par l'extrémité de microscopie de sonde de lecture laisse localiser la transformation en petit volume de matériaux qui peuvent ne comprendre aucun défaut ou défauts uniques bien définis. Si le double défi du sondage quantitatif des transformations associées dans l'identification de volume et de défaut de nanoscale est relevé, cet élan laissera sonder la relation de structure-propriété au niveau d'unique-défaut.

Une approche alternative pour la fonctionnalité de sondage de matériaux activement poursuivie par le groupe de Laboratoire National d'Oak Ridge (imaging.ornl.gov) en collaboration étroite avec le groupe de Microscopie Électronique de Boîte De Vitesses de Lecture (stem.ornl.gov) est l'utilisation du confinement matériel de confinement de zone plutôt puis. Dans ces expériences, l'extrémité de SPM oriente une zone électrique ou thermique dans un nanomètre de matériau, induisant des transformations locales. En Parallèle, la tension, le déplacement de fréquence de résonance, ou le facteur de qualité dynamique mesuré de l'encorbellement (microscopie de force de piezoresponse, microscopie électrochimique de tension) ou du courant d'extrémité-surface (AFM conducteur) fournit des informations sur des procédés dans le matériau (polarisation, taille de domaine, mouvement ionique, formation de deuxième étape, fondant) induit par les stimulus locaux. L'unicité de cet élan est que la transformation peut être sondée en volumes matériels contenant l'aucun ou différents défauts étendus uniques, pavant une voie pour étudier des transformations de phase et des réactions électrochimiques à un niveau unique de défaut.

Cependant, la simplicité du concept est démontée par la complexité étonnante des techniques expérimentales exigées pour sonder la fonctionnalité mesoscopic de défaut. En Effet, les plates-formes matériel pour ces études peuvent être réalisées sur 30.000+ SPMs mondial. Cependant, ces études exigent de l'amélioration drastique dans la capacité de rassembler et analyser les ensembles de données multidimensionnels, bien au-delà de la situation actuelle (2D représentation ou représentation 3D spectroscopique) dans le domaine. Cet argument peut être exemplifié comme suit :

  • La lecture spatiale rend nécessaire l'acquisition de données au-dessus d'un 2D réseau dense de remarques
  • La transformation locale de sondage exige le stimulus local rapide (polarisation ou température d'extrémité) tout en mesurant la réaction
  • Tous Les premiers passages de phase de commande sont par hystérésis et par conséquent sont personne à charge d'histoire. Ceci rend nécessaire le premier type études de courbure d'inversion de commande, augmentant effectivement la dimensionnalité des données (par exemple les densités de sondage de Preisach)
  • Le Premier passage de phase de commande possèdent souvent la dynamique lente de temps, rendant nécessaire l'hystérésis cinétique de sondage (et la différenciant de la thermodynamique) en mesurant la réaction en fonction du temps
  • Le dépistage de SPMs force-basé rend nécessaire la réaction de sondage dans une bande de fréquence autour de la résonance (puisque la fréquence de résonance peut être position dépendante et les méthodes à fréquence unique ne capturent pas ces modifications [2]).

De Façon Générale, ces conditions rendent nécessaire la taille des ensembles de données 4D, 5D, et 6D (0,5 - image de GB 30), et produisent les défis évidents du stockage de données, de la réduction de dimensionnalité, de la visualisation, et de la traduction. Le développement des ces SPMs multidimensionnel a été un centre d'activité de recherche au Centre d'ORNL pour des sciences des matériaux De Nanophase, avec on d'exemples appropriés de sonder des passages ferroélectriques de commutation et de phase de polarisation, de réactions électrochimiques dans des conducteurs de Li-Ion et d'oxygène, et de glace locale et de fondre les températures de passage récapitulées dans les révisions récentes [3,4]. En particulier, parce que des matériaux avec la commutation artificiellement conçue de polarisation de structures de défaut peut être sondée à un niveau unique de défaut et directement comparé aux résultats de la phase-zone la modélisation, fournissant le premier cas du passage de phase sondé et compris à un niveau unique de défaut [5]. L'émergence récente de la microscopie électrochimique de tension (ESM) [6,7] retient la promesse pour étendre ces élans pour sonder des réactions gaz-solide, electorcatalysis et dynamique ionique en matériaux tels que des batteries de Li-Ion et de Li-Air, des cellules à combustible, et électronique memristive.

Le deuxième défi principal est la collecte d'information structurelle de niveau atomique du défaut, le meilleur de tâche réalisé par les outils avancés de microscopie électronique. Cet élan est exemplifié dans Fig. 2, illustrant le premier cas de la commutation de polarisation est un induit matériel multiferroic par une sonde décentrée de SPM [8]. Le contrat à terme verra la combinaison de l'excitation locale de SPM avec les sondes orientées de Rayon X et de microscopie électronique.

Le Schéma 2. (a) visibilité Artistique de la microscopie électronique combinée de boîte de vitesses (de lecture) - expérience de microscope de sonde de lecture. Ici, (S) TEM fournit des données structurelles et informatisées de niveau atomiques sur des changements d'induit matériel par la zone logée par une sonde de SPM. (b) Commutation de domaine Ferroélectrique dans la géométrie de CHEMINÉE. Accueil de Données d'A. Borisevich et de H.J. Chang et assimilé à cela dans Réf. [6].

De Façon Générale, la présence et les interactions des anomalies de structure multiples assistées par les zones élastiques, électrostatiques, et ioniques à longue portée de concentration sont les origines de la complexité des matériaux du monde réel. L'élan de confinement de zone de SPM laisse explorer la fonctionnalité de matériaux sur les défauts uniques à niveau. Tandis Que les plates-formes matériel sont facilement disponibles, les études quantitatives exigent une augmentation significative dans la complexité et la dimensionnalité de l'acquisition de données et de l'analyse. Peut-être ceci illustre les lois d'économie de la complexité - nous ne pouvons pas rendre des choses plus simples, nous pouvons seulement changer de vitesse la complexité entre les matériaux et les mesures.

Recherche supportée par le Département de l'Énergie des États-Unis, les Sciences De base d'Énergie, Division de Scientifiques et Techniques de Matériaux et partiellement exécutée au Centre pour des Sciences Des Matériaux De Nanophase (SVK), une installation d'utilisateur de DOE-BES.

La Microscopie Électrochimique de Tension est disponible comme technique d'utilisateur au Centre pour des Sciences Des Matériaux De Nanophase, installation d'utilisateur de DAINE. Les Informations complémentaires peuvent être trouvées chez www.cnms.ornl.gov


Références

  1. S.J. Pennycook et P.D. Nellist (Eds.), Microscopie Électronique de Balayage de Boîte De Vitesses : Représentation et Analyse, Springer 2011
  2. S. Jesse, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf, et B.J. Rodriguez, La méthode d'excitation de bande dans la microscopie de sonde de lecture pour le mappage rapide de la dispersion d'énergie sur le nanoscale, Nanotechnologie 18, 435503 (2007).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen, et B.J. Rodriguez, dynamique Locale de polarisation en matériaux ferroélectriques, Représentant. Prog. Phys. 73, 056502 (2010).
  4. S. Jesse et S.V. Kalinin, excitation de Bande dans la microscopie de sonde de lecture : Sinus de modification, 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, et S.V. Kalinin, se Démêlant les Mécanismes Déterministes de Commutation de Polarisation de Mesoscopic : Études Dans L'espace Résolues d'un Joint De Grain D'Inclinaison en Ferrite de Bismuth, Adv. Fonctionnel. Couvre-tapis. 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, et S.V. Kalinin, mappage de Nanoscale de diffusion d'ion dans une cathode de batterie lithium-ion, Nanotechnologie 5, 749 de Nature (2010).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin, et S. Jesse, réduction de Mesure de l'oxygène/réactions d'évolution sur le nanoscale, Chimie 3, 707 de Nature (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, et A.Y. Borisevich, les domaines de Observation se développent : Études In-situ de la commutation de polarisation par la sonde de lecture et la microscopie électronique combinées de boîte de vitesses de lecture, J. Appl. Phys. 110, 052014 (2011).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:18

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