在唯一缺陷級別上的材料學: 維數複雜

Sergei V. Kalinin 教授

Sergei V. Kalinin, Nanophase 材料學中心,橡樹嶺國家實驗室,橡樹嶺, TN,美國教授。 對應的作者: sergei2@ornl.gov

這個語句材料功能是由缺陷控制的或許是材料學,固體電化學被認可的示例,并且凝聚了物理。 缺陷定義了電子并且運輸半導體的結構上的材料功能,力量和能量儲備和轉換設備的可操作的生活時間。 從一個更加根本的方面,在缺陷和遠程有彈性,磁性和靜電交往之間的互相作用提升經常鐵電的 relaxors、自旋玻璃和馬氏體唯一屬性。 相應地,對在唯一結構上的缺陷上的級別的材料功能的定量基本級的瞭解給知識主導的設計和優化在材料學中將帶來示例轉移從主要現象學發展。

缺陷基本和電子結構現在是順應的對套 (掃描) 透射電鏡術想像方法 [1]。 然而,在一個唯一缺陷級別上的功能,是它熱量相變,偏心誘發的極化切換或者電化學回應或者張力誘發的機械或 ferroelastic 現象,存在一個更重的挑戰。 全球刺激的應用以溫度差異或統一磁性或電場的形式同時激活相變在所有缺陷當前在系統。 結果,宏觀和想像研究將顯示仅作用的最嚴格的缺陷。

例如,極化切換被激活在一個鐵電的電容器結構的一個唯一缺陷站點通過物質數量將迅速繁殖,阻止在相鄰數量的探通的缺陷功能。 卓越地, -,因為新形成的表面和邊緣然後提供新的缺陷站點,使用物質分娩傳統 nanoscience 途徑以 nanodots 的形式,電匯或者影片一般不會准許查出或識別缺陷!

圖 1. 電,熱量或者應變場分娩由掃描探測顯微學技巧的准許局限化在不可能包括缺陷或明確定義的唯一缺陷材料的一個小的數量的轉換。 如果定量探查的雙重挑戰在 nanoscale 數量和缺陷確定的關聯轉換接受,此途徑將允許在單一缺陷級別上的探通的結構屬性關係。

橡樹嶺國家實驗室組有效地繼續處理的探通的材料功能的一個可選擇方法 (imaging.ornl.gov) 在與掃描透射電鏡術組 (stem.ornl.gov) 的接近的協作是使用域分娩相當然後物質分娩。 在這些實驗, SPM 技巧在一毫微米集中一個電或熱量域材料,導致局部轉換。 平行,懸臂 (piezoresponse 強制顯微學,電化學張力顯微學) 或技巧表面當前 (導電性 AFM) 的被評定的動態張力、共鳴頻移或者質量因素在局部刺激 (極化、域範圍、離子行動,第二種階段形成的進程情報,熔化) 導致的材料。 此途徑的唯一性是轉換在物質數量包含可以被探查沒有或選拔各自的延長的缺陷,鋪學習的階段轉換和電化學回應一條路在一個唯一缺陷級別上。

然而,這個概念的簡單由要求的實驗技術的驚奇的複雜掩飾探查 mesoscopic 缺陷功能。 的確,這些研究的硬件平臺在 30,000+ SPMs 可以認識到全世界。 然而,這些研究要求在功能的猛烈改善收集和分析多維數據集,充分超過科技目前進步水平 (第 2 想像或 3D 分光鏡想像) 在這個域。 此變元可以被舉例證明如下:

  • 空間的掃描需要數據收集在點第 2 密集的網格
  • 這個探通的局部轉換要求詳盡的局部刺激 (技巧偏心或溫度),當評定這種回應時
  • 所有第一命令相變 hysteretic 並且是歷史記錄受撫養者。 這需要第一個命令衝銷曲線類型研究,有效增加數據 (即探查的 Preisach 密度) 的幅員
  • 第一命令相變經常擁有緩慢的時間動力,需要探通的運動遲滯現象 (和區分它從熱力學) 通過評定回應作為時間功能
  • 基於強制的 SPMs 的檢測在共鳴附近需要在頻帶的探通的回應 (因為諧振頻率可以是從屬的位置,并且單頻方法不能獲取這些更改 [2])。

總之,這些需求需要 4D、 5D 和 6D 數據集 (0.5 - 30 GB 圖像) 範圍,并且帶來數據存儲、幅員減少、形象化和解釋的明顯的挑戰。 發展這些多維 SPMs 是研究活動焦點在 Nanophase 材料學 ORNL 中心,與許多探查鐵電的極化切換和相變,在李離子和氧氣導體的電化學回應和局部玻璃和熔化在最近覆核總結的轉變溫度的相關示例 [3,4]。 與人工地設計的缺陷構造極化切換的特別是,為了材料在一個唯一缺陷級別上可以被探查和直接地與階段域比較的結果塑造,提供被探查和瞭解的相變的第一個示例在一唯一缺陷 [第5級上]。 最近誕生電化學張力顯微學 (ESM) [6,7] 擁有擴大的這些途徑承諾探查的氣體固定的回應、 electorcatalysis 和離子動力在材料例如李離子和李航空電池,燃料電池和 memristive 電子。

第二個關鍵挑戰是這個缺陷,先進的電子顯微鏡術工具達到的任務最好的基本級別結構信息的收集。 此途徑在圖 2 被舉例證明,說明極化切換的第一個示例是偏心的 SPM 探測導致的 multiferroic 材料 [8]。遠期將看到局部 SPM 勵磁的組合與集中的 X-射線和電子顯微鏡術探測。

圖 2. (a) 藝術性的遠見聯合的 (掃描) 透射電鏡術 - 掃描探測顯微鏡實驗。 這裡, (S) TEM在域導致的材料上的變化提供基本級別結構上和電子信息限制由 SPM 探測。 (b) 在詞根幾何的鐵電疇切換。 A. Borisevich 和 H.J. 萇氏數據禮貌和類似於那在參考 [6]。

總之,遠程有彈性,靜電和離子濃度域斡旋的多個結構上的缺陷的出現和交往是真實世界的材料的複雜的始發地。 SPM 域分娩途徑准許測試在唯一缺陷的材料功能平實。 當硬件平臺是可用的時,定量研究要求在數據收集和分析的複雜和幅員的顯著地增加。 或許這說明複雜守恆定律 - 我們不可能使事情更加簡單,我們可以只轉移複雜在材料和評定之間。

研究支持由美國能源部、基本的能源科學、材料學和工程部和部分地進行在 Nanophase 材料學中心 (SVK), DOE-BES 用戶設備。

電化學張力顯微學是可用的作為一個用戶技術在中心的 Nanophase 材料學,母鹿用戶設備。 附加信息可以在 www.cnms.ornl.gov 找到


參考

  1. S.J. Pennycook 和 P.D. Nellist (編輯。),掃描透射電鏡術: 想像和分析,蹦跳的人 2011年
  2. S. Jesse、 S.V. Kalinin, R. Proksch, A.P. Baddorf 和 B.J. 羅德里格斯,在掃描探測顯微學的範圍勵磁方法迅速映射的在 nanoscale 的消能,納米技術 18, 435503 (2007)。
  3. S.V. Kalinin、 A.N. Morozovska, L.Q. 陳和 B.J. 羅德里格斯,在鐵電的材料的局部極化動力, Prog 議員。 Phys。 73, 056502 (2010)。
  4. S. Jesse 和 S.V. Kalinin,在掃描探測顯微學的範圍勵磁: 更改, J. Phys 正弦D 44, 464006 (2011)。
  5. B.J. 羅德里格斯、 S. Choudhury, Y.H. 儲, A. Bhattacharyya, S. Jesse, K. Seal, A.P. Baddorf, R. Ramesh, L.Q. 陳和 S.V. Kalinin,解開的確定性的 Mesoscopic 極化切換結構: 空間掀動晶界的被解決的研究在蒼鉛純鐵,副詞的。 功能。 蓆子。 19日 2053年 (2009)。
  6. N. Balke、 S. Jesse, A.N. Morozovska, E. Eliseev, D.W. 鐘, Y. 金, L. Adamczyk, R.E. 加西亞, N. Dudney 和 S.V. Kalinin, Nanoscale 映射在鋰離子電池負極的離子擴散,本質納米技術 5, 749 (2010)。
  7. A. Kumar、 F. Ciucci, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin 和 S. Jesse,評定的氧氣減少/演變回應在 nanoscale,本質化學 3, 707 (2011)。
  8. H.J. 萇氏、 S.V. Kalinin, S. 楊, P. Yu, S. Bhattacharya, P.P. 吳, N. Balke, S. Jesse, L.Q. 陳, R. Ramesh, S.J. Pennycook 和 A.Y. Borisevich,注意的域增長: 極化切換的原地研究由聯合的掃描探測和掃描透射電鏡術, J. Appl 的。 Phys。 110, 052014 (2011)。
Date Added: Nov 27, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:10

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