在唯一缺陷级别上的材料学: 维数复杂

Sergei V. Kalinin 教授

Sergei V. Kalinin, Nanophase 材料学中心,橡树岭国家实验室,橡树岭, TN,美国教授。 对应的作者: sergei2@ornl.gov

这个语句材料功能是由缺陷控制的或许是材料学,固体电化学被认可的示例,并且凝聚了物理。 缺陷定义了电子并且运输半导体的结构上的材料功能,力量和能量储备和转换设备的可操作的生活时间。 从一个更加根本的方面,在缺陷和远程有弹性,磁性和静电交往之间的互相作用提升经常铁电的 relaxors、自旋玻璃和马氏体唯一属性。 相应地,对在唯一结构上的缺陷上的级别的材料功能的定量基本级的了解给知识主导的设计和优化在材料学中将带来示例转移从主要现象学发展。

缺陷基本和电子结构现在是顺应的对套 (扫描) 透射电镜术想象方法 [1]。 然而,在一个唯一缺陷级别上的功能,是它热量相变,偏心诱发的极化切换或者电化学回应或者张力诱发的机械或 ferroelastic 现象,存在一个更重的挑战。 全球刺激的应用以温度差异或统一磁性或电场的形式同时激活相变在所有缺陷当前在系统。 结果,宏观和想象研究将显示仅作用的最严格的缺陷。

例如,极化切换被激活在一个铁电的电容器结构的一个唯一缺陷站点通过物质数量将迅速繁殖,阻止在相邻数量的探通的缺陷功能。 卓越地, -,因为新形成的表面和边缘然后提供新的缺陷站点,使用物质分娩传统 nanoscience 途径以 nanodots 的形式,电汇或者影片一般不会准许查出或识别缺陷!

图 1. 电,热量或者应变场分娩由扫描探测显微学技巧的准许局限化在不可能包括缺陷或明确定义的唯一缺陷材料的一个小的数量的转换。 如果定量探查的双重挑战在 nanoscale 数量和缺陷确定的关联转换接受,此途径将允许在单一缺陷级别上的探通的结构属性关系。

橡树岭国家实验室组有效地继续处理的探通的材料功能的一个可选择方法 (imaging.ornl.gov) 在与扫描透射电镜术组 (stem.ornl.gov) 的接近的协作是使用域分娩相当然后物质分娩。 在这些实验, SPM 技巧在一毫微米集中一个电或热量域材料,导致局部转换。 平行,悬臂 (piezoresponse 强制显微学,电化学张力显微学) 或技巧表面当前 (导电性 AFM) 的被评定的动态张力、共鸣频移或者质量因素在局部刺激 (极化、域范围、离子行动,第二种阶段形成的进程情报,熔化) 导致的材料。 此途径的唯一性是转换在物质数量包含可以被探查没有或选拔各自的延长的缺陷,铺学习的阶段转换和电化学回应一条路在一个唯一缺陷级别上。

然而,这个概念的简单由要求的实验技术的惊奇的复杂掩饰探查 mesoscopic 缺陷功能。 的确,这些研究的硬件平台在 30,000+ SPMs 可以认识到全世界。 然而,这些研究要求在功能的猛烈改善收集和分析多维数据集,充分超过科技目前进步水平 (第 2 想象或 3D 分光镜想象) 在这个域。 此变元可以被举例证明如下:

  • 空间的扫描需要数据收集在点第 2 密集的网格
  • 这个探通的局部转换要求详尽的局部刺激 (技巧偏心或温度),当评定这种回应时
  • 所有第一命令相变 hysteretic 并且是历史记录受抚养者。 这需要第一个命令冲销曲线类型研究,有效增加数据 (即探查的 Preisach 密度) 的幅员
  • 第一命令相变经常拥有缓慢的时间动力,需要探通的运动迟滞现象 (和区分它从热力学) 通过评定回应作为时间功能
  • 基于强制的 SPMs 的检测在共鸣附近需要在频带的探通的回应 (因为谐振频率可以是从属的位置,并且单频方法不能获取这些更改 [2])。

总之,这些需求需要 4D、 5D 和 6D 数据集 (0.5 - 30 GB 图象) 范围,并且带来数据存储、幅员减少、形象化和解释的明显的挑战。 发展这些多维 SPMs 是研究活动焦点在 Nanophase 材料学 ORNL 中心,与许多探查铁电的极化切换和相变,在李离子和氧气导体的电化学回应和局部玻璃和熔化在最近复核总结的转变温度的相关示例 [3,4]。 与人工地设计的缺陷构造极化切换的特别是,为了材料在一个唯一缺陷级别上可以被探查和直接地与阶段域比较的结果塑造,提供被探查和了解的相变的第一个示例在一唯一缺陷 [第5级上]。 最近诞生电化学张力显微学 (ESM) [6,7] 拥有扩大的这些途径承诺探查的气体固定的回应、 electorcatalysis 和离子动力在材料例如李离子和李航空电池,燃料电池和 memristive 电子。

第二个关键挑战是这个缺陷,先进的电子显微镜术工具达到的任务最好的基本级别结构信息的收集。 此途径在图 2 被举例证明,说明极化切换的第一个示例是偏心的 SPM 探测导致的 multiferroic 材料 [8]。远期将看到局部 SPM 励磁的组合与集中的 X-射线和电子显微镜术探测。

图 2. (a) 艺术性的远见联合的 (扫描) 透射电镜术 - 扫描探测显微镜实验。 这里, (S) TEM在域导致的材料上的变化提供基本级别结构上和电子信息限制由 SPM 探测。 (b) 在词根几何的铁电畴切换。 A. Borisevich 和 H.J. 苌氏数据礼貌和类似于那在参考 [6]。

总之,远程有弹性,静电和离子浓度域斡旋的多个结构上的缺陷的出现和交往是真实世界的材料的复杂的始发地。 SPM 域分娩途径准许测试在唯一缺陷的材料功能平实。 当硬件平台是可用的时,定量研究要求在数据收集和分析的复杂和幅员的显著地增加。 或许这说明复杂守恒定律 - 我们不可能使事情更加简单,我们可以只转移复杂在材料和评定之间。

研究支持由美国能源部、基本的能源科学、材料学和工程部和部分地进行在 Nanophase 材料学中心 (SVK), DOE-BES 用户设备。

电化学张力显微学是可用的作为一个用户技术在中心的 Nanophase 材料学,母鹿用户设备。 附加信息可以在 www.cnms.ornl.gov 找到


参考

  1. S.J. Pennycook 和 P.D. Nellist (编辑。),扫描透射电镜术: 想象和分析,蹦跳的人 2011年
  2. S. Jesse、 S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf 和 B.J. 罗德里格斯,在扫描探测显微学的范围励磁方法迅速映射的在 nanoscale 的消能,纳米技术 18, 435503 (2007)。
  3. S.V. Kalinin、 A.N. Morozovska, L.Q. 陈和 B.J. 罗德里格斯,在铁电的材料的局部极化动力, Prog 议员。 Phys。 73, 056502 (2010)。
  4. S. Jesse 和 S.V. Kalinin,在扫描探测显微学的范围励磁: 更改, J. Phys 正弦D 44, 464006 (2011)。
  5. B.J. 罗德里格斯、 S. Choudhury, Y.H. 储, A. Bhattacharyya, S. Jesse, K. Seal, A.P. Baddorf, R. Ramesh, L.Q. 陈和 S.V. Kalinin,解开的确定性的 Mesoscopic 极化切换结构: 空间掀动晶界的被解决的研究在苍铅纯铁,副词的。 功能。 席子。 19日 2053年 (2009)。
  6. N. Balke、 S. Jesse, A.N. Morozovska, E. Eliseev, D.W. 钟, Y. 金, L. Adamczyk, R.E. 加西亚, N. Dudney 和 S.V. Kalinin, Nanoscale 映射在锂离子电池负极的离子扩散,本质纳米技术 5, 749 (2010)。
  7. A. Kumar、 F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin 和 S. Jesse,评定的氧气减少/演变回应在 nanoscale,本质化学 3, 707 (2011)。
  8. H.J. 苌氏、 S.V. Kalinin, S. 杨, P. Yu, S. Bhattacharya, P.P. 吴, N. Balke, S. Jesse, L.Q. 陈, R. Ramesh, S.J. Pennycook 和 A.Y. Borisevich,注意的域增长: 极化切换的原地研究由联合的扫描探测和扫描透射电镜术, J. Appl 的。 Phys。 110, 052014 (2011)。
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:07

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