There is 1 related live offer.

5% Off SEM, TEM, FIB or Dual Beam

De Wetenschap van Materialen op Één Enkel Niveau van het Tekort: Afmetingen van Ingewikkeldheid

Door Professor Sergei V. Kalinin

Professor Sergei V. Kalinin, het Centrum voor de Wetenschappen van Materialen Nanophase, het Nationale Laboratorium van Oak Ridge, Oak Ridge, TN, de V.S. Overeenkomstige auteur: sergei2@ornl.gov

De verklaring dat een materialenfunctionaliteit door tekorten wordt gecontroleerd is misschien gelijk het meest erkende paradigma van materialenwetenschap, elektrochemie in vaste toestand, en gecondenseerde fysica. De Tekorten bepalen elektronisch en vervoeren functionaliteit van halfgeleiders, sterkte van structurele materialen, en operationele het levenstijden van van de energieopslag en omzetting apparaten. Vanuit een meer fundamenteel perspectief, leidt de interactie tussen tekorten en lange-afstands elastische, magnetische, en elektrostatische interactie vaak tot unieke eigenschappen van ferroelectric relaxors, rotatieglazen, en martensites. Navenant, zal een kwantitatief atoom-vlak inzicht in materialenfunctionaliteit op het niveau van enig structureel tekort een paradigmaverschuiving in materialenwetenschap van grotendeels phenomenological ontwikkeling naar het kennis-gedreven ontwerp en optimalisering brengen.

De atoom en elektronische structuur van tekorten is nu goed-ontvankelijk voor de reeks van de de elektronenmicroscopieweergave (van de aftasten) transmissie methodes [1]. Nochtans, was de functionaliteit op één enkel tekortniveau, het thermische faseovergangen, bias-veroorzaakte polarisatieomschakeling of elektrochemische reacties, of de spanning-veroorzaakte mechanische of ferroelastic fenomenen, geeft blijk van een meer heftier uitdaging. De Toepassing van globale stimulus in de vorm van temperatuurvariatie of eenvormig magnetisch of elektrisch gebied activeert faseovergang bij alle tekorten huidig gelijktijdig in systeem. Derhalve zullen de macroscopische en weergavestudies het effect slechts van de sterkste tekorten openbaren.

Bijvoorbeeld, zal de polarisatieomschakeling bij één enkele tekortplaats wordt geactiveerd in een ferroelectric condensatorstructuur zich snel door het materiële volume verspreiden, die sonderende tekortfunctionaliteit in aangrenzende volumes uitsluiten dat. Opmerkelijk, gebruikend de traditionele nanosciencebenadering van materiële beperking in de vorm van nanodots, zullen de draden, of de films over het algemeen isolerend toestaan of identificerend geen tekort - aangezien de pas gevormde oppervlakten en de randen dan nieuwe tekortplaatsen verstrekken!

Figuur 1. De Beperking van elektrisch, thermisch, of spanningsveld door het de microscopieuiteinde van de aftastensonde staat toe lokaliserend transformatie in een klein volume van materialen dat geen tekorten of duidelijk omlijnde enige tekorten kan omvatten. Als de dubbele uitdaging van het kwantitatieve sonderen van bijbehorende transformaties in de van het nanoscalevolume en tekort identificatie wordt ontmoet, zal deze benadering toestaan sonderend structuur-bezit verhouding op enig-tekortniveau.

Een alternatieve die benadering voor het sonderen van materialenfunctionaliteit actief door groep van het Laboratorium van Oak Ridge de Nationale wordt nagestreefd (imaging.ornl.gov) in nauwe samenwerking met de groep van de Elektronenmicroscopie van de Transmissie van het Aftasten (Stem.ornl.gov) is het gebruik van de materiële beperking van de gebiedsbeperking eerder toen. In deze experimenten, concentreert het uiteinde SPM een elektrisch of thermisch veld in een nanometer van materiaal, die lokale transformaties veroorzaken. Daarnaast verstrekken de gemeten dynamische spanning, de verschuiving van de resonantiefrequentie, of de kwaliteitsfactor van de cantilever (piezoresponse de krachtmicroscopie, de elektrochemische spanningsmicroscopie) of uiteinde-oppervlakte stroom (geleidende AFM) informatie over processen in het materiaal (polarisatie, domeingrootte, Ionische die motie, tweede fasevorming, het smelten) door lokale stimuli wordt veroorzaakt. De uniciteit van deze benadering is dat de transformatie in materiële volumes kan worden gesondeerd die nr of enige individuele uitgebreide tekorten, bedekkend een weg voor het bestuderen van fasetransformaties en elektrochemische reacties op één enkel tekortniveau bevatten.

Nochtans, wordt de eenvoud van het concept gelogenstraft door de verrassende ingewikkeldheid van experimentele die technieken worden vereist om mesoscopic tekortfunctionaliteit te sonderen. De hardwareplatforms voor deze studies kunnen namelijk op 30.000+ SPMs wereldwijd worden gerealiseerd. Nochtans, deze studies drastische verbetering van vermogen vereisen om multidimensionele gegevensreeksen, goed voorbij overzicht (2D weergave of 3D spectroscopische weergave) op het gebied te verzamelen en te analyseren. Dit argument kan als volgt worden toegelicht:

  • Het ruimteaftasten vergt gegevensaanwinst over een 2D dicht net van punten
  • De sonderende lokale transformatie vereist vegend lokale stimulus (uiteindebias of temperatuur) terwijl het meten van de reactie
  • Alle eerste overgangen van de ordefase zijn hysteretic en vandaar zijn afhankelijke geschiedenis. Dit vergt eerste krommetype van de ordeomkering studies, effectief verhogend dimensionaliteit van de gegevens (b.v. sonderende dichtheid Preisach)
  • De Eerste overgang van de ordefase bezit vaak langzame tijddynamica die, die sonderende kinetische hysterese (en het onderscheiden van thermodynamica) vergen door reactie als functie van tijd te meten
  • De opsporing van op kracht-gebaseerde SPMs vergt sonderende reactie in een frequentieband rond resonantie (aangezien de resonerende frequentie afhankelijke positie kan zijn en de enig-frequentiemethodes er niet in slagen om deze veranderingen [2] te vangen).

Globaal, vergen deze vereisten 4D, 5D, en 6D datasets (0.5 - 30 GB beeld) grootte, en brengen vooruit de duidelijke uitdagingen van gegevensopslag, dimensionaliteitvermindering, visualisatie, en interpretatie. De ontwikkeling hiervan is multidimensionele SPMs een nadruk van onderzoekactiviteit op Centrum ORNL voor de wetenschappen van Materialen Nanophase geweest, met veel van relevante voorbeelden om ferroelectric van de polarisatieomschakeling en fase overgangen, elektrochemische reacties in Li-Ion en zuurstofleiders, en lokale glas en het smelten overgangstemperaturen te sonderen samengevat in recente overzichten [3.4]. In het bijzonder, voor materialen met kunstmatig gebouwde tekortstructuren kan de polarisatieomschakeling op één enkel tekortniveau worden gesondeerd en direct bij de resultaten worden vergeleken van fase-gebied modellering, verstrekkend het eerste voorbeeld van gesondeerd en begrepen faseovergang op één enkel tekortniveau [5]. De recente totstandkoming van de elektrochemische spanningsmicroscopie (ESM) [6.7] houdt de belofte voor het uitbreiden van deze benaderingen voor het sonderen van gas-solid reacties, electorcatalysis en Ionische dynamica in materialen zoals Li-Ion en Li-Lucht batterijen, brandstofcellen, en memristive elektronika in.

De tweede belangrijkste uitdaging is de inzameling van atoomniveau structurele informatie van het tekort, de taak het best bereikte door geavanceerde elektronenmicroscopiehulpmiddelen. Deze benadering wordt toegelicht in Fig. 2, is het illustreren van het eerste voorbeeld van polarisatieomschakeling een multiferroic die materiaal door een beïnvloede sonde SPM wordt veroorzaakt [8]. De toekomst zal de combinatie van de lokale opwinding SPM met de geconcentreerde sondes van de Röntgenstraal en van de elektronenmicroscopie zien.

Figuur 2. (a) Artistieke visie van de gecombineerde elektronenmicroscopie (van de aftasten) transmissie - de microscoopexperiment van de aftastensonde. Hier, (S) TEM verstrekt atoomniveau structurele en elektronische die informatie over veranderingen in materiaal door gebied worden veroorzaakt door een sonde SPM wordt beperkt. (b) Ferroelectric domeinomschakeling in de meetkunde van de STAM. De hoffelijkheid van Gegevens van A. Borisevich en H.J. Chang en gelijkaardig aan dat in Ref. [6].

Globaal, zijn worden bemiddeld de aanwezigheid en de interactie van veelvoudige structurele die tekorten door lange-afstands elastische, elektrostatische, en Ionische concentratiegebieden de oorsprong van ingewikkeldheid van real-world materialen. De Benadering van de spm- gebiedsbeperking staat toe onderzoekend materialenfunctionaliteit op het enige tekortenniveau. Terwijl de hardwareplatforms dadelijk beschikbaar zijn, vereisen de kwantitatieve studies een significante verhoging van ingewikkeldheid en dimensionaliteit van gegevens aanwinst en analyse. Misschien illustreert dit de behoudswetten van ingewikkeldheid - wij kunnen geen dingen eenvoudiger maken, kunnen wij ingewikkeldheid tussen materialen en metingen slechts verplaatsen.

Onderzoek door het Ministerie van de V.S. van Energie, de BasisdieAfdeling van de Wetenschappen van de Energie, van de Wetenschappen van Materialen en van de Techniek wordt gesteund en gedeeltelijk op het Centrum voor de Wetenschappen van Materialen wordt uitgevoerd Nanophase (SVK), een damhinde-BES gebruikersfaciliteit die.

De Elektrochemische Microscopie van de Spanning is beschikbaar als gebruikerstechniek op het Centrum voor de Wetenschappen van Materialen Nanophase, de gebruikersfaciliteit van DOE. De Extra informatie kan in www.cnms.ornl.gov worden gevonden


Verwijzingen

  1. S.J. Pennycook en P.D. Nellist (Eds.), de Elektronenmicroscopie van de Transmissie van het Aftasten: Weergave en Analyse, Aanzetsteen 2011
  2. S. Jesse, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf, en B.J. Rodriguez, de methode van de bandopwinding in het aftasten van de sondemicroscopie voor snelle afbeelding van energiedissipatie op nanoscale, Nanotechnologie 18, 435503 (2007).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen, en B.J. Rodriguez, Lokale polarisatiedynamica in ferroelectric materialen, Rep. Prog. Phys. 73, 056502 (2010).
  4. S. Jesse en S.V. Kalinin, de opwinding van de Band in de microscopie van de aftastensonde: Sines van verandering, 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, en S.V. Kalinin, de Ontrafelende Deterministische Mechanismen van de Omschakeling van de Polarisatie Mesoscopic: Ruimte Vastbesloten Studies van een Grens van de Korrel van de Schuine Stand in het Ferriet van het Bismut, Adv. Func. Mat. 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, en S.V. Kalinin, afbeelding Nanoscale van ionenverspreiding in een lithium-ionenbatterijkathode, Nanotechnologie 5, 749 van de Aard (2010).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin, en S. Jesse, die zuurstofvermindering/evolutiereacties op nanoscale, Chemie 3, 707 van de Aard (2011) Meten.
  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, en A.Y. Borisevich, het Letten op domeinen groeit: De studies In situ van polarisatieomschakeling door gecombineerde af te tasten sonderen en de elektronenmicroscopie van de aftastentransmissie, J. Appl. Phys. 110, 052014 (2011).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:14

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit