単一の欠陥のレベルの物質科学: 複雑さの次元

教授によって Sergei V. Kalinin

材料の機能性が欠陥によって制御されるという文は多分物質科学、ソリッドステート電気化学の最も認識された範例で、物理学を同様に凝縮させました。 欠陥は電子を定義し、半導体の機能性、構造材料の強さ、およびエネルギー蓄積および変換装置の操作上の生命時間を運びます。 より基本的な見通しから、欠陥および長距離伸縮性がある、磁気の、および静電気の相互作用は間の相互作用 ferroelectric relaxors、スピン・グラスおよびマルテンサイトの頻繁に一義的な特性をもたらします。 同様に、単一の構造欠陥のレベルの材料の機能性の量的な原子レベルの理解は主として現象の開発からの知識主導のデザインおよび最適化に物質科学の範例シフトを持って来ます。

欠陥の原子および電子構造は (スキャンの) 透過型電子顕微鏡イメージ投射方法 [1] のセットに今十分従う義務があります。 ただし、単一の欠陥のレベルの機能性は、それ熱フェーズ遷移、バイアス誘発の分極の切換えまたは電気化学の反作用、または緊張誘発の機械か ferroelastic 現象、現在より屈強な挑戦でした。 温度の変化または均一磁気か電界の形の全体的な刺激のアプリケーションによってはシステムで現在のすべての欠陥でフェーズ遷移が同時に作動します。 その結果、マクロスコピックおよびイメージ投射調査は最も強い欠陥のだけ効果を明らかにします。

例えば、 ferroelectric コンデンサーの構造の単一の欠陥のサイトで作動した分極の切換えは隣接したボリュームの徹底的な欠陥の機能性を排除する物質的なボリュームを通ってすぐに伝播します。 - 新興の表面および端がそして新しい欠陥のサイトを提供するので非常に、 nanodots の形の物質的な拘束の従来の nanoscience のアプローチを使用して、ワイヤー、かフィルムは一般に欠陥を隔離するか、または識別することを割り当てません!

スキャンのプローブの顕微鏡検査の先端による電気、熱、または歪場の図 1. 拘束は欠陥か明示されている単一の欠陥を含まないことができる材料の小さいボリュームの変形を集中させることを割り当てます。 nanoscale のボリュームおよび欠陥の識別の準の変形の量的な精査の二重挑戦が受けられれば、このアプローチは単一欠陥のレベルの徹底的な構造特性関係を可能にします。

実行中にスキャンの透過型電子顕微鏡のグループ (stem.ornl.gov) との近い共同のオーク・リッジの国立研究所のグループ (imaging.ornl.gov) 追求される徹底的な材料の機能性のための代替的アプローチはフィールド拘束の幾分そして物質的な拘束の使用です。 これらの実験では、 SPM の先端はローカル変形を誘導する材料のナノメーターの電気か熱フィールドを集中します。 並行して、片持梁 (piezoresponse 力の顕微鏡検査、電気化学の緊張の顕微鏡検査) または先端表面の流れ (伝導性 AFM) の測定されたダイナミックな緊張、共鳴頻度シフト、または品質要因はローカル刺激によって誘導される材料 (分極、領域のサイズ、イオンの動き、溶ける第 2 段階の形成) のプロセスで情報を提供します。 このアプローチの独自性は変形が物質的なボリューム含んでいることで厳密に調べられるか、または単一の欠陥のレベルの段階の変形そして電気化学の反作用を調査するためのパスを舗装する個々の拡張欠陥を選抜できないことです。

ただし、概念の簡易性は mesoscopic 欠陥の機能性を厳密に調べるために必要な実験技術の意外な複雑さによって偽りであることを示されます。 実際に、これらの調査のためのハードウェアプラットフォームは 30,000+ SPMs で世界的に実現することができます。 ただし、これらの調査は機能の徹底的な改善がフィールドの最新式をはるかに越えて多次元データセットを、 (第 2 イメージ投射か 3D 分光イメージ投射) 集め、分析するように要求します。 このアーギュメントは次の通り例証することができます:

• 空間的なスキャンはポイントの第 2 密な格子にデータ収集を要します
• 徹底的なローカル変形は広範なローカル刺激を (先端のバイアスか温度) 応答を測定している間必要とします
• すべての最初順序のフェーズ遷移は hysteretic、それ故に歴史の扶養家族です。 これは要します効果的にデータ (例えば Preisach の精査の密度) の次元の数を高める最初順序の逆転のカーブのタイプ調査を、
• 最初順序のフェーズ遷移は頻繁に徹底的な運動ヒステリシスを (要し、時間の機能として応答の測定によって熱力学からの) 区別する遅い時間の原動力を所有しています
• 力ベースの SPMs の検出は共鳴のまわりで (共振周波数が依存した位置である場合もあり、単調方法がこれらの変更 [2] 捕獲しないので) 周波数帯域の徹底的な応答を要します。

全体的にみて、これらの条件は 4D、 5D および 6D データ・セットの (0.5 - 30 GB の画像) サイズを要し、データ記憶、次元の数の減少、視覚化および解釈の明らかな挑戦を持ち出します。 これらのの開発は ferroelectric 分極の切換えおよびフェーズ遷移を、李イオンおよび酸素のコンダクターの電気化学の反作用、およびローカルガラスの多数の Nanophase の物質科学のための ORNL の中心に多次元 SPMs 研究活動の焦点、厳密に調べ、最近の検討 [3,4] で要約されるずっと遷移温度を溶かす関連した例です。 特に人工的に設計された欠陥構造の分極の切換えの、なぜなら材料模倣は単一の欠陥のレベルで厳密に調べられ、厳密に調べられ、理解される単一の欠陥のレベル [5] でフェーズ遷移の最初の例を提供する段階フィールドの結果と直接比較することができます。 電気化学の緊張の顕微鏡検査 [6,7] の (ESM)最近の出現は李イオンおよび李空気電池のような材料のガス固体反作用、 electorcatalysis およびイオンの原動力、燃料電池および memristive 電子工学厳密に調べるためのこれらのアプローチを拡張するための約束を保持します。

第 2 主挑戦は欠陥、高度の電子顕微鏡検査のツールによって達成されるタスクのベストの原子水平な構造的情報のコレクションです。 このアプローチは分極の切換えの最初の例を説明する図 2 でです偏りのある SPM のプローブ [8] によって誘導される multiferroic 材料例証されます。未来は集中された X 線および電子顕微鏡検査のプローブとのローカル SPM の刺激の組合せを見ます。

図 2. (a) 結合された (スキャンの) 透過型電子顕微鏡 - スキャンのプローブの顕微鏡の実験の功妙な視野。 ここでは、 (S) TEM は SPM のプローブによって制限されるフィールドによって誘導される材料の変更で原子水平な構造および電子情報を提供します。 (b) 茎の幾何学の Ferroelectric 領域の切換え。 A. Borisevich および参考 [6] のそれに H.J. チャンのデータ礼儀そして類似した。

長距離伸縮性があり、静電気の、そしてイオンの集中フィールドによって仲介される多重構造欠陥の全体的にみて、存在そして相互作用実世界材料の複雑さの起源はです。 SPM フィールド拘束のアプローチは単一の欠陥の材料の機能性を水平に探索することを割り当てます。 ハードウェアプラットフォームがすぐに利用できている間、量的な調査はデータ収集および分析の複雑さそして次元の数の顕著な増加を必要とします。 多分これは複雑さの保存則を説明します - 私達は事をより簡単にさせることができません私達は材料と測定の間でしか複雑さを移してもいくないです。

、基本的なエネルギー科学、物質科学および工兵管区米国エネルギー省によってサポートされ、部分的に Nanophase の物質科学のための中心、 DOE-BES の (SVK)ユーザー機能で行われる研究。

電気化学の緊張の顕微鏡検査は中心、雌ジカのユーザー機能で Nanophase の物質科学のためのユーザーの技術として使用できます。 追加情報は www.cnms.ornl.gov で見つけることができます

参照

1. S.J. Pennycook および P.D. Nellist (ED。)、スキャンの透過型電子顕微鏡: イメージ投射および分析のスプリンガー 2011 年
2. S. Jesse、 S.V. Kalinin、 R. Proksch、 A.P. Baddorf、および B.J. ロドリゲスの nanoscale のエネルギー消滅、ナノテクノロジー 18、 435503 の急速なマップのためのスキャンのプローブの顕微鏡検査のバンド刺激方法 (2007 年)。
3. S.V. Kalinin、 A.N. Morozovska、 L.Q. 陳、および B.J. ロドリゲスの ferroelectric 材料のローカル分極の原動力、 Rep。 Prog。 Phys。 73、 056502 (2010 年)。
4. S. Jesse および S.V. Kalinin のスキャンのプローブの顕微鏡検査のバンド刺激: 変更、 J. Phys の正弦。 D 44、 464006 (2011 年)。
5. B.J. ロドリゲス、 S. Choudhury、 Y.H. 儲、 A. Bhattacharyya、 S. Jesse、 K. Seal、 A.P. Baddorf、 R. Ramesh、 L.Q. 陳、および S.V. Kalinin の解く決定論の Mesoscopic の分極の切換えのメカニズム: ビスマスの亜鉄酸塩、 ADV の傾きの粒界の空間的に解決された調査。 機能。 マット。 19 2053 年 (2009 年)。
6. N. Balke、 S. Jesse、 A.N. Morozovska、 E. Eliseev、 D.W. チョン、 Y. 金、 L. Adamczyk、 R.E. ガルシア、 N. Dudney、および S.V. Kalinin のリチウムイオン電池の陰極のイオン拡散、性質のナノテクノロジー 5、 749 の Nanoscale のマップ (2010 年)。
7. A. Kumar、 F. Ciucci、 A.N. Morozovska、 S.V. Kalinin、および S. Jesse の測定の酸素の減少/nanoscale、性質化学 3、 707 の改革の反作用 (2011 年)。
8. H.J. チャン、 S.V. Kalinin、 S. ヤン、 P. Yu、 S. Bhattacharya、 P.P. ウー、 N. Balke、 S. Jesse、 L.Q. 陳、 R. Ramesh、 S.J. Pennycook、および A.Y. Borisevich は、監視領域育ちます: 結合されたスキャンのプローブおよびスキャンの透過型電子顕微鏡、 J. Appl による分極の切換えの In-situ 調査。 Phys。 110、 052014 (2011 年)。