Наука Материалов на Одиночном Уровне Отказов: Размеры Сложности

Профессором Sergei V. Kalinin

Профессор Sergei V. Kalinin, Центр для Наук Материалов Nanophase, Лаборатория Oak Ridge Национальная, Oak Ridge, TN, США. Соответствуя автор: sergei2@ornl.gov

Заявление что функциональность материалов проконтролирована дефектами возможно узнавать парадигма науки материалов, полупроводниковой электрохимии, и сконденсировало физику похожую. Дефекты определяют электронное и транспортируют функциональность полупроводников, прочность структурных материалов, и рабочие времена жизни приборов накопления энергии и преобразования. От более основной перспективы, взаимодействие между дефектами и длиннорейсовые эластичными, магнитными, и электростатическими взаимодействия дают подъем к часто уникально свойствам ferroelectric relaxors, стекел закрутки, и мартенситов. Соответственно, количественное вникание атомн-уровня функциональности материалов на уровне одиночного структурного дефекта принесет перенос парадигмы в науку материалов от в большинстве феноменологического развития к знани-управляемым конструкции и оптимизированию.

Атомная и электронная структура дефектов теперь хорошо-согласно к комплекту методов воображения электронной просвечивающей микроскопии (скеннирования) [1]. Однако, функциональность на одиночном уровне отказов, были им термальные переходы участка, смещени-наведенным переключением поляризации или электрохимическими реакциями, или напряжени-наведенными механически или ferroelastic явлениями, настоящими моментами более здоровенная возможность. Применение глобального стимула в форме температурных колебаний или равномерной магнитной или электрического поля активирует переход участка на всех дефектах присутствующих в системе одновременно. Следовательно, изучения макроскопических и воображения покажут влияние только самых сильных дефектов.

Например, переключение поляризации активированное на одиночном месте дефекта в ferroelectric структуре конденсатора быстро распространит через материальный том, исключая зондирующ функциональность дефекта в смежных томах. Замечательн, используя традиционный подход к nanoscience материального удерживания в форме nanodots, проводы, или фильмы вообще не будут позволять изолировать или определить дефект - с заново сформированных поверхностей и краев тогда обеспечьте новые места дефекта!

Диаграмма 1. Удерживание поля электрических, термальных, или напряжения подсказкой микроскопии зонда скеннирования позволяет локализовать преобразование в малом томе материалов которые могут не включить никакие дефекты или чёткие одиночные дефекты. Если соотвествован двойной количественный зондировать связанных преобразований в идентификации тома и дефекта nanoscale, то этот подход позволит зондировать отношение структур-свойства на уровне одиночн-дефекта.

Альтернативный подход для зондируя функциональности материалов активно последованной группой Национальной Лаборатории Oak Ridge (imaging.ornl.gov) в тесном сотрудничестве с группой Электронной Просвечивающей Микроскопии Скеннирования (stem.ornl.gov) польза удерживания удерживания поля довольно после этого материального. В этих экспериментах, подсказка SPM фокусирует электрическое или тепловое поле в нанометре материала, наводя местные преобразования. В параллели, измеренные динамические напряжение, отступление частоты резонанса, или фактор качества cantilever (микроскопии усилия piezoresponse, электрохимической микроскопии напряжения) или течения подсказк-поверхности (проводного AFM) обеспечивают информацию на процессах в материале (поляризации, размере домена, ионном движении, втором образовании участка, плавя) наведенном местный стимулами. Уникальность этого подхода что преобразование можно зондировать в материальный содержать томов никакой или определить индивидуальные выдвинутые дефекты, вымощая тропа для изучать преобразования участка и электрохимические реакции на одиночном уровне отказов.

Однако, простота принципиальной схемы опровергана удивительно сложностью экспириментально методов необходима, что зондировала mesoscopic функциональность дефекта. Деиствительно, платформы аппаратных средств для этих изучений можно осуществить на 30.000+ SPMs всемирно. Однако, эти изучения требуют, что радикальное улучшение в возможности собирает и анализирует многомерные наборы данных, хорошо вн е современного (2D воображение или спектроскопическое воображение 3D) в поле. Этот аргумент можно привести в пример следующим образом:

  • Пространственная скеннирование требует сбор информации над 2D плотной решеткой пунктов
  • Зондируя местное преобразование требует широкого местного стимула (смещение или температура подсказки) пока измеряющ реакцию
  • Все первые переходы участка заказа hysteretic и следовательно зависел истории. Это требует первый тип изучения кривого реверсирования заказа, эффектно увеличивая размерность данных (например зондируя плотности Preisach)
  • Первый переход участка заказа часто обладает медленной динамикой времени, требуя зондируя кинетический гистерезис (и дифференцируя его от термодинамики) путем измерять реакцию как функция времени
  • Обнаружение усили-основанного SPMs требует зондируя реакцию в частотной полосе вокруг резонанса (в виду того что резонирующая частота может быть положением зависимым и одночастотные методы не сумеют захватить эти изменения [2]).

Обще, эти требования требуют размер наборов данных 4D, 5D, и 6D (изображение 0,5 до 30 GB), и приносят вперед очевидные возможности хранения данных, уменьшения размерности, визуализирования, и толкования. Развитие этих многомерное SPMs фокус научно-исследовательской работы на Центре ORNL для наук Материалов Nanophase, с много из уместных примеров зондировать ferroelectric переходы переключения и участка поляризации, электрохимических реакций в проводниках Li-Иона и кислорода, и местного стекла и плавить температуры перехода суммированные в недавних просмотрениях [3,4]. В частности, ибо материалы с искусственни проектированным переключением поляризации структур дефекта можно зондировать на одиночном уровне отказов и сразу сравнивать к результатам фазовой области моделирование, обеспечивая первый понимаемые пример перехода участка, котор зондируют и на одиночном уровне отказов [5]. Недавняя эмерджентность электрохимической микроскопии напряжения (ESM) [6,7] держит посыл для расширять эти подходы для зондировать газ-твердые реакции, electorcatalysis и ионную динамику в материалах как батареи Li-Иона и Li-Воздуха, отсеки топливного бака, и memristive электронику.

Вторая ключевая возможность собрание атомной ровной структурной информации дефекта, самое лучшее задачи достиганного предварительными инструментами электронной микроскопии. Этот подход приведен в пример в FIG. 2, иллюстрируя первый пример переключения поляризации multiferroic материал наведенный пристрастный зондом SPM [8]. Будущее увидит сочетание из местное возбуждение SPM с сфокусированными зондами Рентгеновского Снимка и электронной микроскопии.

Диаграмма 2. (a) Художническое зрение совмещенной электронной просвечивающей микроскопии (скеннирования) - эксперимента по микроскопа зонда скеннирования. Здесь, (S) TEM обеспечивает атомную ровную структурную и электронную информацию на изменениях в материале наведенном полем ограниченным зондом SPM. (b) Переключение Ferroelectric домена в геометрии СТЕРЖНЯ. Учтивость Данных A. Borisevich и H.J. Chang и подобной к тому в REF. [6].

Общи, присутсви и взаимодействи множественных структурных дефектов посредничанных длиннорейсовыми эластичными, электростатическими, и ионными полями концентрации начала сложности реальных материалов. Подход к удерживания поля SPM позволяет исследовать функциональность материалов на одиночных дефектах вровень. Пока платформы аппаратных средств охотно - доступные, количественные изучения требуют значительного роста в сложности и размерности сбора информации и анализа. Возможно это иллюстрирует законы консервации сложности - мы не можем сделать вещи более простым, мы можем только перенести сложность между материалами и измерениями.

Исследование поддержанное Министерством Энергетики США, Основными Науками Энергии, Науками Материалов и Разделением Инджиниринга и частично выполненное на Центре для Наук Материалов Nanophase (SVK), средстве пользователя DOE-BES.

Электрохимическая Микроскопия Напряжения доступна как метод пользователя на Центре для Наук Материалов Nanophase, средстве пользователя ЛАНИ. Дополнительная информация можно найти на www.cnms.ornl.gov


Справки

  1. S.J. Pennycook и P.D. Nellist (Eds.), Просматривая Электронная Просвечивающая Микроскопия: Воображение и Анализ, Спрингер 2011
  2. S. Джесс, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf, и B.J. Родригес, Метод возбуждения диапазона в микроскопии зонда скеннирования для быстрый отображать диссипации энергии на nanoscale, Нанотехнологии 18, 435503 (2007).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen, и B.J. Родригес, Местная динамика в ferroelectric материалах, Rep поляризации. Prog. Phys. 73, 056502 (2010).
  4. S. Джесс и S.V. Kalinin, возбуждение Диапазона в микроскопии зонда скеннирования: Синусы изменения, J. Phys. D 44, 464006 (2011).
  5. B.J. Родригес, S. Choudhury, Y.H. Chu, A. Bhattacharyya, S. Джесс, K. Уплотнение, A.P. Baddorf, R. Ramesh, L.Q. Chen, и S.V. Kalinin, Unraveling Детерминистские Механизмы Переключения Поляризации Mesoscopic: Пространственно Разрешенные Изучения Границы между Зернами Наклона в Феррите Висмута, Adv. Функционально. Циновка. 19, 2053 (2009).
  6. N. Balke, S. Джесс, A.N. Morozovska, E. Eliseev, D.W. Chung, Y. Ким, L. Adamczyk, R.E. Garcia, N. Dudney, и S.V. Kalinin, отображать Nanoscale диффузии в катоде батареи лити-иона, Нанотехнологии 5 иона Природы, 749 (2010).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin, и S. Джесс, Измеряя уменьшение кислорода/реакции развития на nanoscale, Химии 3 Природы, 707 (2011).
  8. H.J. Chang, S.V. Kalinin, S. Yang, P. Yu, S. Bhattacharya, P.P. Wu, N. Balke, S. Джесс, L.Q. Chen, R. Ramesh, S.J. Pennycook, и A.Y. Borisevich, Наблюдая домены растут: В-situ изучениях переключения поляризации совмещенными зондом скеннирования и электронной просвечивающей микроскопией скеннирования, J. Appl. Phys. 110, 052014 (2011).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:48

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