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Ciência de Materiais em um Único Nível do Defeito: Dimensões da Complexidade

Pelo Professor Sergei V. Kalinin

Professor Sergei V. Kalinin, O Centro para Ciências de Materiais de Nanophase, Laboratório Nacional de Oak Ridge, Oak Ridge, TN, EUA. Autor Correspondente: sergei2@ornl.gov

A indicação que uma funcionalidade dos materiais está controlada por defeitos é talvez o paradigma o mais reconhecido da ciência de materiais, electroquímica de circuito integrado, e condensou a física igualmente. Os Defeitos definem o eletrônico e transportam a funcionalidade dos semicondutores, a força de materiais estruturais, e tempos operacionais da vida de dispositivos do armazenamento e da conversão de energia. De uma perspectiva mais fundamental, a interacção entre defeitos e as interacções elásticas, magnéticas, e electrostáticas de longo alcance causam propriedades frequentemente originais de relaxors, de vidros de rotação, e de martensite ferroelectric. Correspondentemente, uma compreensão quantitativa do atômico-nível da funcionalidade dos materiais no nível de único defeito estrutural trará uma SHIFT do paradigma na ciência de materiais da revelação pela maior parte fenomenológica ao projecto e à optimização conhecimento-conduzidos.

A estrutura atômica e eletrônica dos defeitos é agora bem-favorável ao grupo dos métodos da imagem lactente da microscopia de elétron de transmissão (da exploração) [1]. Contudo, a funcionalidade em um único nível do defeito, era ele transições de fase térmicas, interruptor polarização-induzido da polarização ou reacções electroquímicas, ou fenômenos mecânicos ou ferroelastic tensão-induzidos, presentes um desafio mais heftier. A Aplicação do estímulo global sob a forma da variação da temperatura ou do campo magnético ou elétrico uniforme activa a transição de fase em todos os defeitos actuais no sistema simultaneamente. Conseqüentemente, os estudos macroscópicos e da imagem lactente revelarão o efeito somente dos defeitos os mais fortes.

Por exemplo, o interruptor da polarização ativado em um único local do defeito em uma estrutura ferroelectric do capacitor propagará rapidamente através do volume material, impossibilitando sondando a funcionalidade do defeito em volumes adjacentes. Notàvel, usando a aproximação tradicional do nanoscience do confinamento material sob a forma dos nanodots, os fios, ou os filmes geralmente não reservarão isolar ou identificar um defeito - desde superfícies e bordas recentemente formadas a seguir forneça locais novos do defeito!

A Figura 1. Confinamento do campo elétrico, térmico, ou de tensão pela ponta da microscopia da ponta de prova da exploração reserva localizar a transformação em um volume pequeno de materiais que podem não incluir nenhum defeito ou únicos defeitos bem definidos. Se o desafio duplo da sondagem quantitativa de transformações associadas na identificação do volume e do defeito do nanoscale é encontrado, esta aproximação reservará sondar o relacionamento da estrutura-propriedade no nível do único-defeito.

Uma abordagem alternativa para a funcionalidade de sondagem dos materiais levada a cabo activamente pelo grupo do Laboratório Nacional de Oak Ridge (imaging.ornl.gov) na colaboração próxima com grupo da Microscopia de Elétron de Transmissão da Exploração (stem.ornl.gov) é o uso do confinamento material do confinamento do campo um pouco então. Nestas experiências, a ponta de SPM focaliza um campo elétrico ou térmico em um nanômetro do material, induzindo transformações locais. Paralelamente, a tensão, a SHIFT de freqüência da ressonância, ou o factor de qualidade dinâmico medido do modilhão (microscopia da força do piezoresponse, microscopia electroquímica da tensão) ou da corrente da ponta-superfície (AFM condutor) fornecem a informação em processos no material (polarização, tamanho do domínio, movimento iónico, segunda formação da fase, derretendo) induzido por estímulos locais. A unicidade desta aproximação é que a transformação pode ser sondada na contenção material dos volumes nenhuma ou escolher os defeitos prolongados individuais, pavimentando um caminho para estudar transformações da fase e reacções electroquímicas em um único nível do defeito.

Contudo, a simplicidade do conceito é desmentida pela complexidade surpreendente das técnicas experimentais exigidas para sondar a funcionalidade mesoscopic do defeito. Certamente, as plataformas de hardware para estes estudos podem ser realizadas em 30.000+ SPMs no mundo inteiro. Contudo, estes estudos exigem a melhoria drástica na capacidade recolher e analisar séries de dados multidimensional, bem além do último modelo (2D imagem lactente ou imagem lactente 3D espectroscópica) no campo. Este argumento pode ser exemplificado como segue:

  • A exploração espacial necessita por aquisição de dados sobre uma 2D grade densa dos pontos
  • A transformação local de sondagem exige estímulo local arrebatador (polarização ou temperatura da ponta) ao medir a resposta
  • Todas As transições de fase de primeira ordem são hysteretic e daqui são dependente da história. Isto necessita o tipo de primeira ordem estudos da curva da reversão, aumentando eficazmente a extensibilidade dos dados (por exemplo as densidades de sondagem de Preisach)
  • A transição de fase De primeira ordem possui frequentemente a dinâmica lenta do tempo, necessitando a histerese cinética de sondagem (e diferenciando a do termodinâmica) medindo a resposta em função do tempo
  • A detecção de SPMs força-baseado necessita a resposta de sondagem em uma faixa de freqüência em torno da ressonância (desde que a freqüência ressonante pode ser dependente da posição e métodos da único-freqüência não captura estas mudanças [2]).

Totais, estas exigências necessitam o tamanho dos conjunto de dados 4D, 5D, e 6D (uma imagem de 0,5 - 30 GB), e trazem adiante os desafios óbvios do armazenamento de dados, da redução da extensibilidade, do visualização, e da interpretação. A revelação dos estes SPMs multidimensional foi um foco da actividade de pesquisa no Centro de ORNL para ciências de Materiais de Nanophase, com os muitos de exemplos relevantes de sondar transições ferroelectric do interruptor e de fase da polarização, de reacções electroquímicas em condutores do Li-Íon e do oxigênio, e do vidro local e de derreter as temperaturas de transição resumidas nas revisões recentes [3,4]. Em particular, porque materiais com interruptor artificial projetado da polarização das estruturas de defeito pode ser sondada em um único nível do defeito e directamente ser comparada aos resultados do fase-campo modelar, fornecendo o primeiro exemplo da transição de fase sondado e compreendido em um único nível do defeito [5]. A emergência recente da microscopia electroquímica da tensão (ESM) [6,7] mantem a promessa para estender estas aproximações para sondar reacções gás-contínuas, electorcatalysis e dinâmica iónica nos materiais tais como baterias do Li-Íon e do Li-Ar, células combustíveis, e eletrônica memristive.

O segundo desafio chave é a coleção da informação estrutural nivelada atômica do defeito, o melhor da tarefa conseguido por ferramentas avançadas da microscopia de elétron. Esta aproximação é exemplificada em Fig. 2, ilustrando o primeiro exemplo do interruptor da polarização é um material multiferroic induzido por uma ponta de prova inclinada de SPM [8]. O futuro considerará a combinação da excitação local de SPM com as pontas de prova focalizadas da microscopia do Raio X e de elétron.

Figura 2. (a) visão Artística da microscopia de elétron de transmissão combinada (da exploração) - experiência do microscópio da ponta de prova da exploração. Aqui, (S) TEM fornece a informação estrutural e eletrônica nivelada atômica em mudanças no material induzido pelo campo limitado por uma ponta de prova de SPM. (b) Interruptor do domínio Ferroelectric na geometria da HASTE. Cortesia dos Dados de A. Borisevich e de H.J. Chang e similar àquele na Referência. [6].

Totais, a presença e as interacções dos defeitos estruturais múltiplos negociados por campos elásticos, electrostáticos, e iónicos de longo alcance da concentração são as origens da complexidade de materiais do real-mundo. A aproximação do confinamento do campo de SPM reserva explorar a funcionalidade dos materiais nos únicos defeitos ao nível. Quando as plataformas de hardware forem prontamente - os estudos disponíveis, quantitativos exigem um aumento significativo na complexidade e na extensibilidade de por aquisição de dados e da análise. Talvez isto ilustra as leis de conservação da complexidade - nós não podemos fazer coisas mais simples, nós podemos somente deslocar a complexidade entre materiais e medidas.

Pesquisa apoiada pelo Ministério de E.U. de Energia, de Ciências Básicas da Energia, de Ciências de Materiais e de Divisão de Engenharia e executada parcialmente no Centro para Ciências de Materiais de Nanophase (SVK), uma facilidade do usuário de DOE-BES.

A Microscopia Electroquímica da Tensão está disponível como uma técnica do usuário no Centro para Ciências de Materiais de Nanophase, facilidade do usuário da GAMA. A Informações adicionais pode ser encontrada em www.cnms.ornl.gov


Referências

  1. S.J. Pennycook e P.D. Nellist (Eds.), Microscopia de Elétron de Transmissão da Exploração: Imagem Lactente e Análise, Springer 2011
  2. S. Jesse, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf, e B.J. Rodriguez, O método da excitação da faixa na microscopia da ponta de prova da exploração para o traço rápido da dissipação de energia no nanoscale, Nanotecnologia 18, 435503 (2007).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen, e B.J. Rodriguez, dinâmica Local em materiais ferroelectric, Representante da polarização. Prog. Phys. 73, 056502 (2010).
  4. S. Jesse e S.V. Kalinin, excitação da Faixa na microscopia da ponta de prova da exploração: Senos da mudança, J. Phys. D 44, 464006 (2011).
  5. B.J. Rodriguez, S. Choudhury, Y.H. Chu, A. Bhattacharyya, S. Jesse, K. Selo, A.P. Baddorf, R. Ramesh, L.Q. Chen, e S.V. Kalinin, Desembaraçando Mecanismos Determinísticas do Interruptor da Polarização de Mesoscopic: Estudos Espacial Resolvidos de um Limite de Grão da Inclinação na Ferrite do Bismuto, Adv. Funcional. Esteira. 19, 2053 (2009).
  6. N. Balke, S. Jesse, A.N. Morozovska, E. Eliseev, D.W. Chung, Y. Kim, L. Adamczyk, R.E. García, N. Dudney, e S.V. Kalinin, traço de Nanoscale da difusão em um cátodo da bateria do lítio-íon, Nanotecnologia 5 do íon da Natureza, 749 (2010).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin, e S. Jesse, redução de Medição do oxigênio/reacções da evolução no nanoscale, Química 3 da Natureza, 707 (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, e A.Y. Borisevich, domínios de Observação crescem: Estudos In Situ do interruptor da polarização pela ponta de prova da exploração e pela microscopia de elétron de transmissão combinadas da exploração, J. Appl. Phys. 110, 052014 (2011).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:44

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