Røntgenbilleder og computermodellering hjælper med at kortlægge nanomaterialers elektriske egenskaber

Med et fingertryk, din tablet kommer til live – takket være små kraftsensorer og accelerometre, der indeholder piezoelektriske materialer.

Disse materialer genererer elektricitet, når der påføres mekanisk tryk på dem, og de har været med til at forme, hvordan vi bruger og interagerer med teknologi i dag. Piezoelektriske enheder kan findes overalt, fra forbrugerelektronik som bærbare fitnesstrackere og smart tøj, til medicinsk udstyr og motorer.

Nu har forskere ved U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory udviklet en ny tilgang til undersøgelse af piezoelektriske materialer ved at bruge ultrahurtig 3-D røntgenbilleddannelse og computermodellering. Deres integrerede tilgang, rapporteret i Nano bogstaver , kan hjælpe os med bedre at forstå materialeadfærd og udvikle mere kraftfulde og energieffektive teknologier.

"Vores tilgang afslører et væld af information om de underliggende mekanismer, der regulerer overførslen af ​​energi i sådanne materialer, samt hvor stabile disse materialer er under ekstreme forhold, " sagde Argonne beregningsforsker og medforfatter Subramanian Sankaranarayanan.

"Ved brug af eksperimentelle data, vi laver informerede modeller, som igen laver forudsigelser på rum- og tidsskalaer, som eksperimenter ikke kan nå, " sagde Mathew Cherukara, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen.

Forskerne anvendte deres nye tilgang til studiet af zinkoxid, et materiale, der kan generere elektricitet, når det er snoet, bøjet eller deformeret på andre måder. Med sine ønskelige piezoelektriske og halvledende egenskaber, zinkoxid er dukket op som et lovende materiale til at generere elektricitet i små enheder.

I deres eksperimentelle tilgang, kendt som ultrahurtig røntgen-kohærent billeddannelse, forskere tog en nanokrystal af zinkoxid og udsatte den for intense, korte røntgen- og optiske laserimpulser ved Argonnes avancerede fotonkilde, en DOE Office of Science brugerfacilitet. De ultrahurtige laserimpulser ophidsede krystallen, og røntgenimpulserne afbildede krystalstrukturen, som den ændrede sig over tid. Dette gjorde det muligt for forskere at fange meget små ændringer i materialet med høj opløsning i både tid og rum.

"I modsætning til et optisk mikroskop, som gør det muligt for dig at se et objekt, men ikke tillader dig at se, hvad der sker inde i det, Røntgen-kohærent diffraktiv billeddannelse lader os se inde i materialer, mens de bøjer, vridning og deformering, i fuld 3D, " sagde Argonne-fysiker og medforfatter Ross Harder. Dette er første gang en sådan tidsopløst undersøgelse er blevet udført ved en synkrotronkilde.

Forskere identificerede deformationstilstandene - hvilket betyder nye måder, hvorpå materialet kunne bøjes, vride, rotere, osv. – fra denne eksperimentelle tilgang, og brugte denne indsigt til at bygge en model, der ville beskrive nanokrystallens opførsel.

"Ved at integrere teori og modellering med eksperimenter, vi giver et mere komplet billede af den materielle adfærd, " sagde Argonne postdoc-forsker og ledende teoriforfatter Kiran Sasikumar. "Modellering giver yderligere indsigt i problemet – indsigt, som eksperimenter alene ikke kan undersøge."

Med denne model, forskere opdagede yderligere vridningstilstande, der kan generere 50 procent mere elektricitet end krystallens bøjningstilstande.

"Nu kan vi bruge disse oplysninger til at skabe enheder, der udnytter disse snoede tilstande, " sagde Cherukara. "Denne yderligere indsigt, der er genereret fra teorien, viser, hvordan eksperimentering og teori sammen kan gøre os i stand til at lave mere nøjagtige og nyttige forudsigelser."

Kombination af modellering og eksperimentelle tilgange kan også hjælpe forskere med at udforske forskellige andre materialesystemer og processer, såsom korrosion og varmestyring på tværs af termiske enheder. Sådant arbejde vil også blive avanceret med opgraderingen af ​​den avancerede fotonkilde, hvilket vil øge strømmen af ​​anlæggets højenergikohærente røntgenstråler med en hundrede og halvtreds gange, sagde forskerne.

"Med denne opgradering, vi vil være i stand til at anvende sammenhængende billeddannelsesteknikker på en bredere klasse af materialer, med mindre dataindsamlingstid og endnu højere rumlig opløsning, " sagde Argonne-fysiker og medforfatter Haidan Wen.

Studiet, med titlen "Ultrafast Three-Dimensional X-ray Imaging of Deformation Modes in ZnO Nanocrystals" blev udgivet i Nano bogstaver .