Scienza dei Materiali ad un Singolo Livello di Difetto: Dimensioni di Complessità

Dal Professor Sergei V. Kalinin

Il Professor Sergei V. Kalinin, Il Centro per le Scienze dei Materiali di Nanophase, Laboratorio Nazionale di Oak Ridge, Oak Ridge, TN, U.S.A.. Autore Corrispondente: sergei2@ornl.gov

L'istruzione che una funzionalità dei materiali è gestita dai difetti è forse il paradigma riconosciuto di scienza dei materiali, l'elettrochimica semi conduttrice ed ha condensato la fisica egualmente. I Difetti definiscono l'elettronico e trasportano la funzionalità dei semiconduttori, la concentrazione dei materiali strutturali ed i tempi operativi di vita delle unità di conversione e di immagazzinamento dell'energia. Da una prospettiva più fondamentale, l'interazione fra i difetti e le interazioni elastiche, magnetiche ed elettrostatiche a lungo raggio provoca i beni spesso unici dei relaxors, dei vetri di rotazione e delle martensiti ferroelettrici. Corrispondentemente, di una comprensione livella atomico quantitativa della funzionalità dei materiali al livello di singolo difetto strutturale porterà una variazione di paradigma nella scienza dei materiali dallo sviluppo in gran parte fenomenologico daa progettazione e dall'all'ottimizzazione guidate da conoscenza.

La struttura atomica ed elettronica dei difetti ora è ben-favorevole all'insieme dei metodi della rappresentazione di microscopia elettronica di trasmissione (di scansione) [1]. Tuttavia, la funzionalità ad un singolo livello di difetto, era transizioni di fase termiche, commutazione tendenziosità tendenziosità di polarizzazione o le reazioni elettrochimiche, o da fenomeni meccanici o ferroelastic indotti da sforzo, presente una sfida più heftier. L'Applicazione dello stimolo globale sotto forma di variazione della temperatura o di campo elettrico magnetico o costante attiva simultaneamente la transizione di fase a tutti i difetti presenti nel sistema. Di Conseguenza, gli studi della rappresentazione e macroscopici riveleranno l'effetto soltanto di più forti difetti.

Per esempio, la commutazione di polarizzazione attivata ad un singolo sito di difetto in una struttura ferroelettrica del condensatore si propagherà rapidamente attraverso il volume materiale, precludente sondando la funzionalità di difetto nei volumi adiacenti. Notevolmente, facendo uso dell'approccio tradizionale di nanoscience di relegazione materiale sotto forma di nanodots, i collegare, o le pellicole non concederanno generalmente isolare o identificare un difetto - poiché le superfici e le barriere formate di recente quindi forniscono i nuovi siti di difetto!

La Figura 1. Relegazione del campo elettrico, termico, o di sforzo dal suggerimento di microscopia della sonda di scansione concede localizzare la trasformazione in un piccolo volume di materiali che possono non comprendere difetti o ben definito scelga i difetti. Se la sfida doppia di sondaggio quantitativo delle trasformazioni associate nell'identificazione del volume e di difetto del nanoscale è incontrata, questo approccio concederà sondare la relazione dei struttura-beni al livello di unico difetto.

Un metodo alternativo per funzionalità di sondaggio dei materiali attivamente perseguita attraverso il gruppo del Laboratorio Nazionale di Oak Ridge (imaging.ornl.gov) in stretta collaborazione con il gruppo di Microscopia Elettronica A Scansione (Stem.ornl.gov) è l'uso di relegazione materiale di relegazione del campo piuttosto poi. In questi esperimenti, il suggerimento di SPM mette a fuoco un campo elettrico o termico in un nanometro di materiale, inducente le trasformazioni locali. Parallelamente, lo sforzo, lo spostamento di frequenza di risonanza, o il fattore di qualità dinamico misurato della trave a mensola (microscopia della forza del piezoresponse, microscopia elettrochimica di sforzo) o della corrente della suggerimento-superficie (AFM conduttivo) fornisce informazioni sui trattamenti nel materiale (polarizzazione, dimensione del dominio, moto ionico, seconda formazione di fase, fondentesi) indotto dagli stimoli locali. L'unicità di questo approccio è che la trasformazione può essere sondata nei volumi materiali che contengono il nessun o i singoli diversi difetti estesi, pavimentanti una via per lo studio le trasformazioni di fase e delle reazioni elettrochimiche ad un singolo livello di difetto.

Tuttavia, la semplicità del concetto è alterata dalla complessità sorprendente delle tecniche sperimentali richieste per sondare la funzionalità mesoscopic di difetto. Effettivamente, le piattaforme di hardware per questi studi possono essere realizzate su 30.000+ SPMs universalmente. Tuttavia, questi studi richiedono il miglioramento drastico nella capacità di raccogliere ed analizzare gli insiemi di dati multidimensionali, ben oltre lo stato dell'arte (2D rappresentazione o rappresentazione spettroscopica 3D) nel campo. Questo argomento può essere esemplificato come segue:

  • Lo scansione spaziale necessita dell'acquisizione dei dati sopra una 2D griglia densa dei punti
  • La trasformazione locale di sondaggio richiede lo stimolo locale ampio (tendenziosità o temperatura del suggerimento) mentre misura la risposta
  • Tutte Le prime transizioni di fase di ordine sono hysteretic e quindi sono dipendente di cronologia. Ciò necessita il primo tipo studi della curva di inversione di ordine, efficacemente aumentanti la dimensionalità dei dati (per esempio densità di sondaggio di Preisach)
  • La Prima transizione di fase di ordine possiede spesso la dinamica lenta di tempo, necessitante l'isteresi cinetica di sondaggio (e differenziante la da termodinamica) misurando la risposta in funzione del tempo
  • La rilevazione adi SPMs basato a forza necessita la risposta di sondaggio in una banda di frequenza intorno a risonanza (poiché la frequenza di risonanza può essere posizione dipendente ed i metodi a frequenza unica non riescono a catturare questi cambiamenti [2]).

In Generale, questi requisiti necessitano la dimensione di gruppi di dati 4D, 5D e 6D (un'immagine di 0,5 - 30 GB) e producono le sfide ovvie di archiviazione di dati, di riduzione di dimensionalità, di visualizzazione e dell'interpretazione. Lo sviluppo dei questi SPMs multidimensionale è stato un fuoco di attività di ricerca al Centro di ORNL per le scienze dei Materiali di Nanophase, con molti degli esempi pertinenti di sondaggio delle transizioni ferroelettriche di commutazione e di fase di polarizzazione, delle reazioni elettrochimiche in conduttori dell'ossigeno e dello Li-Ione e del vetro locale e di fusione delle temperature di transizione riassunte negli esami recenti [3,4]. In particolare, dato che materiali con la commutazione artificialmente costruita di polarizzazione delle strutture di difetto può essere sondata ad un singolo livello di difetto e direttamente essere confrontata ai risultati del fase-campo modellare, fornenti il primo esempio della transizione di fase sondato e capito ad un singolo livello di difetto [5]. L'emergenza recente di microscopia elettrochimica di sforzo (ESM) [6,7] tiene la promessa per l'estensione dei questi approcci per il sondaggio delle reazioni gas-solido, electorcatalysis e dinamica ionica in materiali quali le batterie dell'Li-Aria e dello Li-Ione, pile a combustibile ed elettronica memristive.

La seconda sfida chiave è la raccolta di informazioni strutturali livellate atomiche del difetto, il meglio di compito raggiunto dagli strumenti avanzati di microscopia elettronica. Questo approccio è esemplificato nella Fig. 2, illustrante il primo esempio della commutazione di polarizzazione è un materiale multiferroic indotto da una sonda polarizzata di SPM [8]. Il futuro vederà la combinazione dell'eccitazione del locale SPM con i Raggi X e le sonde messi a fuoco di microscopia elettronica.

Figura 2. (a) visione Artistica di microscopia elettronica di trasmissione combinata (di scansione) - esperimento del microscopio della sonda di scansione. Qui, (S) TEM fornisce informazioni strutturali ed elettroniche livellate atomiche sui cambiamenti in materiale indotto dal campo limitato da una sonda di SPM. (b) commutazione del dominio Ferroelettrico nella geometria del GAMBO. Cortesia di Dati di A. Borisevich e di H.J. Chang e simile a quello in Rif. [6].

In Generale, la presenza e le interazioni di difetti strutturali multipli mediati dai campi elastici, elettrostatici ed ionici a lungo raggio di concentrazione sono le origini di complessità dei materiali nell'ambiente. L'approccio di relegazione del campo di SPM concede esplorare la funzionalità dei materiali sui singoli difetti a livello. Mentre le piattaforme di hardware sono disponibili facilmente, gli studi quantitativi richiedono un importante crescita nella complessità e nella dimensionalità di dell'acquisizione dei dati e dell'analisi. Forse questo illustra le leggi di conservazione di complessità - non possiamo rendere le cose più semplici, possiamo spostare soltanto la complessità fra i materiali e le misure.

Ricerca di supporto dal Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti, Scienze Di Base di Energia, Scienze dei Materiali e Divisione di Assistenza Tecnica e parzialmente realizzata al Centro per le Scienze dei Materiali di Nanophase (SVK), una funzione dell'utente di DOE-BES.

La Microscopia Elettrochimica di Sforzo è disponibile come tecnica dell'utente al Centro per le Scienze dei Materiali di Nanophase, funzione dell'utente della DAINA. L'Ulteriore informazione può essere trovata a www.cnms.ornl.gov


Riferimenti

  1. S.J. Pennycook e P.D. Nellist (Eds.), Microscopia Elettronica A Scansione: Rappresentazione ed Analisi, Springer 2011
  2. S. Jesse, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf e B.J. Rodriguez, Il metodo di eccitazione della banda nella microscopia della sonda di scansione per la mappatura rapida della dissipazione di energia sul nanoscale, Nanotecnologia 18, 435503 (2007).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen e B.J. Rodriguez, dinamica Locale in materiali ferroelettrici, Rappresentante di polarizzazione. Prog. Phys. 73, 056502 (2010).
  4. S. Jesse e S.V. Kalinin, eccitazione della Banda nella microscopia della sonda di scansione: Seni di cambiamento, 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 e S.V. Kalinin, Meccanismi Deterministici Disfacenti di Commutazione di Polarizzazione di Mesoscopic: Studi Nello Spazio Risolti su un Limite di Granulo di Inclinazione in Ferrito del Bismuto, Adv. Funzionale. Stuoia. 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 e S.V. Kalinin, mappatura di Nanoscale di diffusione in un catodo dell'Accumulatore litio-ione, Nanotecnologia 5, 749 dello ione della Natura (2010).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin e S. Jesse, riduzione di Misurazione dell'ossigeno/reazioni di evoluzione sul nanoscale, Chimica 3, 707 della Natura (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 ed A.Y. Borisevich, domini di Sorveglianza si sviluppano: Studi In Situ sulla commutazione di polarizzazione dalla sonda di scansione e dalla microscopia elettronica a scansione combinate, J. Appl. Phys. 110, 052014 (2011).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:25

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