Brug et mikroskop som skovl? Forskere graver det

At bruge et velkendt værktøj på en måde, det aldrig var beregnet til at blive brugt, åbner op for en helt ny metode til at udforske materialer, rapporterer UConn-forskere i Proceedings of the National Academy of Science . Deres specifikke resultater kunne en dag skabe meget mere energieffektive computerchips, men selve den nye teknik kunne åbne op for nye opdagelser inden for en bred vifte af ting.

Atomic force microscopes (AFM) trækker en ultraskarp spids hen over materialer, aldrig så tæt på, men rører aldrig overfladen. Spidsen kan mærke, hvor overfladen er, detektering af elektriske og magnetiske kræfter produceret af materialet. Ved metodisk at sende det frem og tilbage, en forsker kan kortlægge et materiales overfladeegenskaber på samme måde, som en landmåler metodisk går hen over et stykke land for at kortlægge territoriet. AFM'er kan give et kort over et materiales huller, fremspring, og egenskaber i en skala, der er tusindvis af gange mindre end et saltkorn.

AFM'er er designet til at undersøge overflader. Det meste af tiden, brugeren prøver meget hårdt på ikke faktisk at støde materialet med spidsen, da det kan beskadige materialets overflade. Men nogle gange sker det. Et par år siden, kandidatstuderende Yasemin Kutes og Justin Luria, en postdoc, studerer solceller i materialevidenskab og ingeniørprofessor Brian Hueys laboratorium, ved et uheld gravet i deres prøve. Tænkte først, at det var en irriterende fejl, de bemærkede, at materialets egenskaber så anderledes ud, da Kutes stak spidsen af ​​AFM dybt ned i den grøft, hun ved et uheld havde gravet.

Kutes og Luria forfulgte det ikke. Men en anden kandidatstuderende, James Steffes, blev inspireret til at se nærmere på ideen. Hvad ville der ske, hvis du med vilje brugte spidsen af ​​en AFM som en mejsel, og gravet i et materiale, undrede han sig? Ville det være i stand til at kortlægge de elektriske og magnetiske egenskaber lag for lag, opbygge et 3-D billede af materialets egenskaber på samme måde som det kortlagde overfladen i 2-D? Og ville egenskaberne se anderledes ud dybt inde i et materiale?

Svarene, Steffes, Huey, og deres kolleger rapporterer ind PNAS , er ja og ja. De gravede i en prøve af vismutferrit (BiFeO3), som er en stuetemperatur multiferroisk. Multiferroics er materialer, der kan have flere elektriske eller magnetiske egenskaber på samme tid. For eksempel, vismutferrit er både antiferromagnetisk - det reagerer på magnetiske felter, men generelt udviser den ikke en nord- eller sydmagnetisk pol - og ferroelektrisk, hvilket betyder, at den har omskiftelig elektrisk polarisering. Sådanne ferroelektriske materialer er normalt sammensat af bittesmå sektioner, kaldet domæner. Hvert domæne er som en klynge batterier, der alle har deres positive poler justeret i samme retning. Klyngerne på hver side af det pågældende domæne vil pege i en anden retning. De er meget værdifulde for computerens hukommelse, fordi computeren kan vende domænerne, 'skrive' på materialet, ved hjælp af magnetiske eller elektriske felter.

Når en materialeforsker læser eller skriver information på et stykke bismuthferrit, de kan normalt kun se, hvad der sker på overfladen. Men de ville elske at vide, hvad der sker under overfladen - hvis det blev forstået, det kan være muligt at konstruere materialet til mere effektive computerchips, der kører hurtigere og bruger mindre energi end dem, der er tilgængelige i dag. Det kan gøre en stor forskel i samfundets samlede energiforbrug – allerede, 5 procent af al elektricitet, der forbruges i USA, går til kørende computere.

At finde ud af, Steffes, Huey, og resten af ​​holdet brugte et AFM-tip til omhyggeligt at grave gennem en film af vismutferrit og kortlægge det indre, stykke for stykke. De fandt ud af, at de kunne kortlægge de enkelte domæner helt ned, afsløre mønstre og egenskaber, der ikke altid var synlige på overfladen. Nogle gange blev et domæne indsnævret, indtil det forsvandt eller delte sig i en y-form, eller slået sammen med et andet domæne. Ingen havde nogensinde været i stand til at se inde i materialet på denne måde før. Det var åbenbarende, som at se på en 3-D CT-scanning af en knogle, når du kun havde været i stand til at læse 2-D røntgenbilleder før.

"I hele verden, der er noget i retning af 30, 000 AFM'er allerede installeret. En stor del af dem vil prøve [3-D kortlægning med] AFM i 2019, da vores samfund indser, at de bare har ridset overfladen hele tiden, " Huey forudser. Han tror også, at flere laboratorier vil købe AFM'er nu, hvis 3-D kortlægning viser sig at fungere for deres materialer, og nogle mikroskopproducenter vil begynde at designe AFM'er specifikt til 3-D-scanning.

Steffes er efterfølgende uddannet fra UConn med sin Ph.D. og arbejder nu hos GlobalFoundries, en computerchipproducent. Forskere hos Intel, muRata, og andre steder er også fascineret af, hvad gruppen fandt ud af om bismuthferrit, da de søger nye materialer til at lave den næste generation af computerchips. Hueys hold, i mellemtiden, bruger nu AFM'er til at grave i alle slags materialer, fra beton til ben til et væld af computerkomponenter.

"At arbejde med akademiske og erhvervspartnere, vi kan bruge vores nye indsigt til at forstå, hvordan vi bedre kan konstruere disse materialer til at bruge mindre energi, optimere deres ydeevne, og forbedre deres pålidelighed og levetid - det er eksempler på, hvilke materialer forskere stræber efter at gøre hver dag, " siger Huey.