There is 1 related live offer.

5% Off SEM, TEM, FIB or Dual Beam

MaterialVetenskap på en Singel Hoppar av Jämnt: Dimensionerar av Komplexitet

Vid Professorn Sergei V. Kalinin

Professor Sergei V. Kalinin, Centrera för Nanophase MaterialVetenskaper, Oak Ridge MedborgareLaboratorium, Oak Ridge, TN, USA. Motsvarande författare: sergei2@ornl.gov

Meddelandet, att en materialfunktionsduglighet kontrolleras by, hoppar av är kanske den mest igenkända paradigmen av materialvetenskap, halvledar- electrochemistry och likadan kondenserad fysik. Defects definierar det elektroniskt och transporterar funktionsduglighet av halvledare, styrka av strukturella material och fungerande livtider av apparater för energilagring och omvandlings. Från ett mer grundperspektiv hoppar av lång-spänner samspel between och resåret som är magnetisk, och elektrostatiska växelverkan ger löneförhöjning till ofta unik rekvisita av ferroelectric relaxors, snurrandeexponeringsglas och martensites. I motsvarande grad kommer med en kvantitativ atom--jämn överenskommelse av material som funktionsduglighet på det jämnt av den strukturella singeln hoppar av ska, en paradigmförskjutning i materialvetenskap från i hög grad phenomenological utveckling till dendrivande designen och optimizationen.

Det atom- och de elektroniska strukturerar av hoppar av är nu brunn-amenable till uppsättningen av för överföringselektronen (för scanningen som) microscopy avbildar metoder [1]. Emellertid hoppar av funktionsdugligheten på en singel jämnt, var som det, arrangerar gradvis thermalen övergångar, snedhet-framkallad polarizationväxling eller electrochemical reaktioner, eller anstränga-framkallade mekaniska eller ferroelastic fenomen, gåvor en mer heftier utmaning. Applikationen av den globala stimulusen i form av temperaturvariation eller enhetligt magnetiska eller elektriskt sätter in aktiverar arrangerar gradvis övergång hoppar av alls gåva i system samtidigt. Därför och macroscopic och avbilda avslöjer ska studier verkställa endast av det starkast hoppar av.

Till exempel hoppar av polarizationväxling som aktiveras på en singel, platsen i en ferroelectric kondensator strukturerar ska snabbt fortplantar till och med den materiella volymen som förebygger att sondera, hoppar av funktionsduglighet i närgränsande volymer. Remarkably genom att använda den traditionella nanosciencen att närma sig av materiell fångenskap i form av nanodots, binder eller filmar ska allmänt för att inte låta isolering eller att identifiera en hoppa av - sedan nyligen bildat ytbehandlar och kantar ger därefter nytt hoppar av platser!

Figurera 1. Fångenskap av elkraften, thermal, eller anstränger sätter in vid spetsen för scanningsondmicroscopy låter att lokalisera omformning i en liten volym av material, som kan inkludera inget hoppar av, eller brunn-definierade singel hoppar av. Om dubbelutmaningen av kvantitativt sondera av tillhörande omformningar i nanoscalevolymen och hoppar av ID möts, detta att närma sig ska låter att sondera strukturera-egenskap förhållande singel-hoppar av på jämnt.

Ett alternativ att närma sig för att sondera materialfunktionsduglighet som förföljas aktivt av den Oak Ridge Medborgare, Laboratorium somgruppen (imaging.ornl.gov) i nära samarbete med gruppen för Microscopy för ScanningÖverföringsElektronen (stem.ornl.gov) är bruket av sätter in materiell fångenskap för fångenskap ganska därefter. I dessa experiment fokuserar SPM-spetsen en elkraft, eller thermalen sätter in i en nanometer av materiellt som framkallar lokalomformningar. I parallell anstränger mätte dynamiska, resonansfrekvensförskjutningen, eller kvalitets- dela upp i faktorer av cantileveren (piezoresponsestyrkamicroscopy, electrochemical anstränger microscopy) eller spets-ytbehandla strömmen (ledande AFM) ger information bearbetar på i det materiellt (polarization, område storleksanpassar, ionic vinkar, understöder arrangerar gradvis bildande som smälter) som framkallas av lokalstimuli. Unikheten av denna att närma sig är att omformning kan sonderas i materiellt innehålla för volymer som är inget eller den fördjupade singelindividen hoppar av och att stenlägga en bana för att studera arrangera gradvis omformningar, och electrochemical reaktioner på en singel hoppar av jämnt.

Emellertid motsägas enkelheten av begreppet av den överraska komplexiteten av experimentella tekniker som krävs att sondera mesoscopic, hoppar av funktionsduglighet. Sannerligen kan maskinvaruplattformarna för dessa studier realiseras på 30.000+ SPMs över hela världen. Emellertid kräver analyserar dessa studier drastisk förbättring i kapacitet till mot efterkrav och multidimensional datamängder, den väl det okända som är statlig - av - - konsten (2D avbilda eller spectroscopic avbilda 3D) i sätta in. Detta argument kan exemplifieras som följer:

  • Den rumsliga scanningen necessitates dataförvärvet över ett 2D tätt raster av pekar
  • Den sondera lokalomformningen kräver svepande stunder för lokalstimulusen som (den spetssnedhet eller temperaturen) mäter svaret
  • Alla första beställer arrangerar gradvis övergångar är hysteretic och är hence historieanhörigen. Detta necessitates beställer först omsvängning buktar typstudier, effektivt ökande dimensionality av datan (sondera e.g Preisach tätheter)
  • Beställa Först arrangerar gradvis övergång äger ofta långsam tiddynamik som necessitating sondera kinetic hysteresis (och göra åtskillnad mellan den från thermodynamics) genom att mäta svar som en fungera av tid
  • Upptäckten av styrka-baserade SPMs necessitates att sondera svar i ett frekvensmusikband runt om resonans (sedan resonant frekvens kan vara placerar anhörig, och singel-frekvens metoder missar till tillfångatagandet dessa ändringar [2]).

Total- necessitate dessa krav 4D, 5D, och datasets 6D (0,5 - 30 GB avbildar), storleksanpassar och kommer med framåt de tydliga utmaningarna av datalagring, dimensionalityförminskning, visualization och tolkningen. Utvecklingen av dessa multidimensional SPMs har varit en fokusera av forskningaktivitet på ORNL Centrerar för Nanophase Materialvetenskaper, med många av relevant exempel av att sondera ferroelectric polarizationväxling och arrangerar gradvis övergångar, electrochemical reaktioner i Li-Jon och syreledare, och lokalexponeringsglas och smältande övergångstemperaturer som resumeras i nytt, granskar [3,4]. I synnerhet for material med konstgjort iscensatt hoppa av strukturerar polarizationväxling kan sonderas på en singel hoppar av jämnt, och direkt jämfört till resultaten av arrangera gradvissätta in att modellera som ger det första exemplet av, arrangera gradvis den sonderade övergången, och förstått på en singel hoppa av jämnt [5]. Den nya uppkomsten av electrochemical anstränger 6,7 (ESM)] håll för microscopy [som löftet för fördjupning dessa att närma sig för att sondera gasa-fasta reaktioner, electorcatalysis och ionic dynamik i material liksom Li-Jonen och Li-Luftar batterier, tankar celler och memristive elektronik.

Understödja som den nyckel- utmaningen är samlingen av atom- jämn strukturell information av hoppa av, det bäst för uppgift som uppnås av avancerad elektronmicroscopy, bearbetar. Detta att närma sig exemplifieras i Fig. 2 som illustrerar det första exemplet av polarizationväxling, är ett multiferroic materiellt som framkallas av en tendentiös SPM-sond [8]. Den ska framtiden ser att kombinationen av magnetiseringen för lokalen SPM med fokuserat för att Röntga och elektronmicroscopy sonderar.

Figurera 2. (a) Konstnärlig vision av kombinerad för överföringselektron (för scanningen) microscopy - experiment för scanningsondmikroskop. Här (S) ger TEM atom- jämnt strukturellt, och elektronisk information på ändringar i materiellt som by framkallas, sätter in begränsat av en SPM-sond. (b) Växling för Ferroelectric område i STEMgeometrin. Dataartighet av A. Borisevich och H.J. Chang och liknande till det i Referens. [6].

Total-, den strukturella närvaroen och växelverkan av multipeln hoppar av medlat by lång-spänner resår, elektrostatiskt, och ionic koncentration sätter in är beskärningarna av komplexitet av verklig världmaterial. SPMNA sätter in fångenskap att närma sig låter undersökning material som funktionsduglighet på singeln hoppar av jämnt. Stundmaskinvaruplattformar är klart - tillgängliga kvantitativa studier kräver en viktig förhöjning i komplexitet och dimensionality av dataförvärvet och analys. Kanske illustrerar detta beskyddlagarna av komplexitet - vi kan inte göra saker enklare, kan vi endast skifta komplexitet mellan material och mätningar.

Forskning som stöttas av U.S.-Avdelningen av Energi, Grundläggande EnergiVetenskaper, MaterialVetenskaper och IscensättaUppdelning och utförs delvist på Centrera för Nanophase MaterialVetenskaper (SVK), en DOE--BESanvändarelätthet.

Electrochemical Anstränga Microscopy är tillgängligt som en användareteknik på Centrera för Nanophase MaterialVetenskaper, DOEanvändarelätthet. Extra information kan finnas på www.cnms.ornl.gov


Hänvisar till

  1. S.J. Pennycook och P.D. Nellist (Eds.), Microscopy för ScanningÖverföringsElektron: Avbilda och Analys, Springer 2011
  2. S. Jesse, S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf och B.J. Rodriguez, Musikbandmagnetiseringsmetoden i scanningsondmicroscopy för att kartlägga för for av energiskingrande på nanoscalen, Nanotechnology 18, 435503 (2007).
  3. S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen och B.J. Rodriguez, Lokalpolarizationdynamik i ferroelectric material, Tekniker. Prog. Phys. 73 056502 (2010).
  4. S. Jesse och S.V. Kalinin, Musikbandmagnetisering i scanningsondmicroscopy: Sinus av ändring, J. Phys. D 44, 464006 (2011).
  5. B.J. Rodriguez, S. Choudhury, Y.H. Chu, A. Bhattacharyya, S. Jesse, K. Försegla, A.P. Baddorf, R. Ramesh, L.Q. Chen och S.V. Kalinin som River Upp Deterministisk Mekanism för Mesoscopic PolarizationVäxling: Rumsligt Löste Studier av en LutandeKornGräns i VismutFerrite, Adv. Funktionellt. Mattt. 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 och S.V. Kalinin, Nanoscale kartlägga av jondiffusion i enjon batterikatod, NaturNanotechnology 5, 749 (2010).
  7. A. Kumar, F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin och S. Jesse som Mäter syreförminsknings-/evolutionreaktioner på nanoscalen, NaturKemi 3, 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 och A.Y. Borisevich, Hållande Ögonen På områden växer: I-situ studier av polarizationväxling vid den kombinerad scanningsonden och microscopy för scanningöverföringselektron J. Appl. Phys. 110 052014 (2011).
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:55

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