단 하나 결점 수준에 재료 과학: 복합성의 차원

교수에 의하여 Sergei V. Kalinin

Sergei V. Kalinin 의 Nanophase 재료 과학을 위한 센터, 오크리지 국립 연구소, 오크리지, TN, 미국 교수. 대응 저자: sergei2@ornl.gov

물자 기능이 결점에 의해 통제되다 계산서는 아마 재료 과학, 고체 전기화학의 인식한 패러다임이고, 물리학을 비슷하게 압축했습니다. 결점은 전자를 정의하고 반도체의 기능, 구조상 물자의 병력, 및 에너지 저장과 변환 장치의 사용할 수 있는 생활 시간을 수송합니다. 기본적인 관점에서, 결점과 장거리 탄력 있는, 자석의, 그리고 정전기 상호 작용은 사이 상호 작용 ferroelectric relaxors, 스핀 유리 및 마텐자이트의 수시로 유일한 속성을 초래합니다. 일치적으로, 단 하나 구조상 결점의 수준에 물자 기능의 양이 많은 원자 수준 이해는 크게 현상 발달에서 지식 몬 디자인 및 최적화에 재료 과학에 있는 패러다임 교대를 가져올 것입니다.

결점의 원자와 전자 구조는 지금 (스캐닝) 전송 전자 현미경 검사법 화상 진찰 방법 [1]의 세트에 잘 순종합니다. 그러나, 단 하나 결점 수준에 기능은, 그것 열 상전이, 편견 유도한 분극 엇바꾸기 또는 전기화학 반응, 또는 긴장 유도한 기계 적이고 ferroelastic 현상, 현재 더 무거운 도전이었습니다. 온도 변이 획일한 자석 전기장의 모양으로 글로벌 자극의 응용은 시스템에서 존재하는 모든 결점에 상전이를 동시에 활성화합니다. 따라서, 거시와 화상 진찰 연구 결과는 가장 강한 결점의 효력을 단지 제시할 것입니다.

예를 들면, ferroelectric 축전기 구조물에 있는 단 하나 결점 사이트에 활성화된 분극 엇바꾸기는 인접한 양에 있는 철저한 결점 기능을 제외하는 물자 양을 통해서 빨리 전파할 것입니다. - 새로 설립하는 표면 및 가장자리가 그 후에 새로운 결점 사이트를 제공하기 때문에 현저하게, nanodots의 모양으로 물자 금고의 전통적인 nanoscience 접근을 사용하여, 철사, 또는 필름은 일반적으로 결점을 고립시키거나 확인하는 허용하지 않을 것입니다!

스캐닝 탐사기 현미경 검사법 끝에 의하여 전기, 열의, 긴장 필드의 숫자 1. 금고는 결점 또는 분명한 단 하나 결점을 포함할 수 있지 않는 물자의 작은 양에 있는 전이를 지방화하는 허용합니다. nanoscale 양과 결점 식별에 있는 관련되는 전이의 양이 많은 시험의 이중 어려운 문제가 충족되는 경우에, 이 접근은 단 하나 결점 수준에 철저한 구조물 속성 관계를 허용할 것입니다.

액티브하게 스캐닝 전송 전자 현미경 검사법 단 (stem.ornl.gov)를 가진 가까운 협력에서 오크리지 국립 연구소 단 (imaging.ornl.gov)에 의해 추격된 철저한 물자 기능을 위한 양자 택일 접근은 필드 금고 오히려 그 후에 물자 금고의 사용입니다. 이 실험에서는, SPM 끝은 현지 전이를 유도하는 물자의 나노미터에 있는 전기 열 필드를 집중시킵니다. 평행으로, 외팔보 (piezoresponse 군대 현미경 검사법, 전기화학 긴장 현미경 검사법) 또는 끝 표면 현재 (전도성 AFM)의 측정한 동적인 긴장, 공명 주파수 옮김, 또는 질 요인은 현지 자극에 의해 유도된 물자 (분극, 도메인 규모, 이오니아 움직임, 녹는 두번째 단계 대형)에 있는 프로세스에 정보를 제공합니다. 이 접근의 유일성은 전이가 물자 양 포함에서 시험되거나 단 하나 결점 수준에 단계 전이 그리고 전기화학 반응 공부를 위한 통로를 포장하는 개별적인 확장되는 결점을 골라낼 수 있다 입니다.

그러나, 개념의 간명은 mesoscopic 결점 기능을 시험할 것을 요구된 실험적인 기술의 의외 복합성에 의해 속ㅂ니다. 실제로, 이 연구 결과를 위한 하드웨어 플래트홈은 30,000+ SPMs에 세계전반 실현될 수 있습니다. 그러나, 이 연구 결과는 기능에 있는 격렬한 개선이 분야에서 최신식 충분히 넘어서 다차원 자료 집합을, (제 2 화상 진찰 또는 3D 분광 화상 진찰) 집합하고 분석할 것을 요구합니다. 이 논쟁은 다음과 같이 궁행될 수 있습니다:

  • 공간 스캐닝은 점의 제 2 조밀한 격자에 정보 수집을 필요로 합니다
  • 철저한 현지 전이는 광범위하는 현지 자극을 (끝 편견 또는 온도) 반응을 측정하고 있는 동안 요구합니다
  • 모든 첫번째 명령 상전이는 이력 현상 이고 그러므로 역사 종입니다. 이것은 필요로 합니다 효과적으로 데이터 (예를들면 Preisach 시험 조밀도)의 dimensionality를 증가하는 첫번째 명령 역분개 곡선 모형 연구 결과를,
  • 첫번째 명령 상전이는 수시로 철저한 활동적인 히스테리시스를 (필요로 하고 시간의 기능으로 반응을 측정해서 열역학에서) 분화하는 느린 시간 역동성을 소유합니다
  • 군대 기지를 둔 SPMs의 탐지는 공명의 주위에 (공명 주파수가 위치 종이기 수 있고기 단 하나 주파수가 방법 이 변경 [2] 붙잡지 못하기 때문에) 주파수 대에 있는 철저한 반응을 필요로 합니다.

전반적으로, 이 필수품에 의하여 4D, 5D 및 6D 데이타세트 (0.5 - 30 GB 심상) 규모를 필요로 하고, 자료 기억 장치, dimensionality 감소, 구상 및 해석의 명백한 도전이 생깁니다. 이의 발달은 ferroelectric 분극 엇바꾸기 및 상전이를, Li 이온과 산소 지휘자에 있는 전기화학 반응, 그리고 현지 유리의 많은 것과 더불어 Nanophase 재료 과학을 위한 ORNL 센터에 다차원 SPMs 연구 활동의 초점, 시험하고 최근 검토 [3,4]에서 요약된 계속 전환 온도를 녹기의 관련된 보기입니다. 인위적으로 설계한 결함 구조 분극 엇바꾸기를 가진 특히, 왜냐하면 물자 만드는 것은 단 하나 결점 수준에 시험되고 시험되고 이해된 단 하나 결점 수준 [5]에 상전이의 첫번째 보기를 제공하는 단계 필드의 결과와 직접 비교될 수 있습니다. Li 이온과 Li 공기 건전지와 같은 물자에 있는 (ESM) 가스 단단한 반응, electorcatalysis 및 이오니아 역동성 연료 전지 및 memristive 전자공학 시험을 위한 이 접근 확장을 위한 약속이 전기화학 긴장 현미경 검사법 [6,7]의 최근 출현에 의하여 보전됩니다.

두번째 중요한 도전은 결점, 향상된 전자 현미경 검사법 공구에 의해 달성된 업무 베스트의 원자 수평 구조상 정보의 수집입니다. 이 접근은 분극 엇바꾸기의 첫번째 보기를 설명하는 FIG. 2에서 입니다 치우치는 SPM 탐사기 [8]에 의해 유도된 multiferroic 물자 궁행됩니다. 미래는 집중된 엑스레이와 전자 현미경 검사법 탐사기와의 현지 SPM 흥분의 조합을 볼 것입니다.

숫자 2. (a) 결합된 (스캐닝) 전송 전자 현미경 검사법 - 스캐닝 탐사기 현미경 실험의 예술적인 비전. 여기에서, (S) TEM는 SPM 탐사기에 의해 수감된 필드에 의해 유도된 물자에 있는 변경에 원자 수평 구조상과 전자 정보를 제공합니다. (b) 줄기 기하학에 있는 센 유전성 구역 엇바꾸기. A. Borisevich와 참고 [6]에서 그것과 H.J. Chang의 데이터 의례 그리고 유사한.

장거리 탄력 있는, 정전기의, 이오니아 사격량 필드에 의해 중재된 다중 구조상 결점의 전반적으로, 존재 그리고 상호 작용 실사회 물자의 복합성의 기점은 입니다. SPM 필드 금고 접근은 단 하나 결점에 물자 기능을 수평으로 탐구하는 허용합니다. 하드웨어 플래트홈이 손쉽게 이용 가능한 동안, 양이 많은 연구 결과는 정보 수집과 분석의 복합성 그리고 dimensionality에 있는 중요한 증가를 요구합니다. 아마 이것은 복합성의 보존 법칙을 설명합니다 - 우리는 것을 더 간단한 시킬 수 없습니다, 우리는 물자와 측정 사이에서서만 복합성을 이동해서 좋습니다.

, 기본적인 에너지 과학, 재료 과학 및 엔지니어 부서 미국 에너지성에 의해 지원되고 부분적으로 Nanophase 재료 과학을 위한 센터, DOE-BES (SVK) 사용자 시설에 실행되는 연구.

전기화학 긴장 현미경 검사법은 센터, 암컷 사용자 시설에 Nanophase 재료 과학을 위한 사용자 기술로 유효합니다. 추가 정보는 www.cnms.ornl.gov에 찾아낼 수 있습니다


참고

  1. S.J. Pennycook와 P.D. Nellist (Ed.), 스캐닝 전송 전자 현미경 검사법: 화상 진찰과 분석 의 Springer 2011년
  2. S. Jesse, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf, 및 B.J. Rodriguez 의 nanoscale에 에너지 흩어지기, 나노 과학 18, 435503의 급속한 지도로 나타내기를 위한 스캐닝 탐사기 현미경 검사법에 있는 악대 흥분 방법 (2007년).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. 첸, 및 B.J. Rodriguez 의 ferroelectric 물자에 있는 현지 분극 역동성, Rep. Prog. Phys. 73, 056502 (2010년).
  4. S. Jesse와 S.V. Kalinin 의 스캐닝 탐사기 현미경 검사법에 있는 악대 흥분: 변경, J. Phys의 정현. D 44, 464006 (2011년).
  5. B.J. Rodriguez, S. Choudhury, Y.H. 초나라, A. Bhattacharyya, S. Jesse, K. Seal, A.P. Baddorf, R. Ramesh, L.Q. 첸, 및 S.V. Kalinin 의 해결 결정론적인 Mesoscopic 분극 엇바꾸기 기계장치: 창연 알파철, 전진에 있는 경사 결정 입자 경계의 공간에 해결된 연구 결과. 기능. 매트. 19 2053년 (2009년).
  6. N. Balke, S. Jesse, A.N. Morozovska, E. Eliseev, D.W. 정, Y. 김, L. Adamczyk, R.E. Garcia, N. Dudney, 및 S.V. Kalinin 의 리튬 이온 건전지 음극선에 있는 이온 유포, 성격 나노 과학 5, 749의 Nanoscale 지도로 나타내기 (2010년).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin, 및 S. Jesse 의 측정 산소 감소/nanoscale, 성격 화학 3, 707에 기동전개 반응 (2011년).
  8. H.J. Chang, S.V. Kalinin, S. 양, P. Yu, S. Bhattacharya, P.P. 우, N. Balke, S. Jesse, L.Q. 첸, R. Ramesh, S.J. Pennycook, 및 A.Y. Borisevich는, 보는 도메인 증가합니다: 결합된 스캐닝 탐사기 및 스캐닝 전송 전자 현미경 검사법, J. Appl에 의하여 분극 엇바꾸기의 제자리 연구 결과. Phys. 110, 052014 (2011년).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:31

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