Nano-mapping faseovergange i elektroniske materialer

Faseovergange er et centralt fænomen i de fysiske videnskaber. På trods af at det lyder teknisk, de er faktisk noget, vi alle oplever i hverdagen:is, der smelter til flydende vand, eller varmt vand, der fordamper som damp. Solid, væske, og gas er tre velkendte "faser" og, når det ene bliver til det andet, det er en faseovergang.

Sjældne jordarters nikkelatoxider, også kaldet nikkelater, har tiltrukket sig stor interesse fra forskere, fordi de viser en elektronisk faseovergang, som kan udnyttes i fremtidige elektroniske enheder. Denne særlige faseovergang består i at skifte fra en metallisk tilstand, der leder elektricitet til en elektrisk isolerende tilstand, når temperaturen falder.

Bag denne adfærd er en stærk vekselvirkning mellem de elektroniske egenskaber af disse forbindelser og deres "gitter" struktur - det velordnede arrangement af atomer, der danner en krystal. Imidlertid, at afdække den sande natur af dette metal til isolator faseovergang i nikkelater, og være i stand til at kontrollere det for potentielle elektroniske enheder, kræver at vide, hvordan hver karakteristisk fase opstår og udvikler sig på tværs af overgangen.

Nu, forskere fra EPFL og universitetet i Genève har kombineret to banebrydende teknikker for at opnå nanoskala kortlægning af hver enkelt elektronisk fase. Udgivet i tidsskriftet Nano bogstaver , undersøgelsen blev ledet af Dr. Duncan Alexander ved EPFL's School of Basic Sciences og gruppen af ​​professor Jean-Marc Triscone ved universitetet i Genève.

Studiets første forfatter, Dr. Bernat Mundet, siger:"For fuldt ud at forstå den fysik, der vises af nye elektroniske materialer, og at kontrollere dem i enheder, nye karakteriseringsteknikker på atomare skala er påkrævet. I denne henseende vi har for første gang været i stand til præcist at bestemme de metalliske og isolerende områder af atomisk konstruerede enheder lavet af to nikkelatforbindelser med næsten atomisk opløsning. Vi tror på, at vores metodologi vil hjælpe til bedre at forstå fysikken i denne vigtige familie af elektroniske materialer."

Forskerne kombinerede aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) med monokromateret elektronenergitabsspektroskopi (EELS).

I STEM, billeder dannes ved at scanne en elektronstråle, fokuseret på et sted på omkring 1 Ångstrøm i størrelse, på tværs af et tilstrækkeligt tyndt eksemplar - i dette tilfælde en stribe nikkelat - og opsamling af de transmitterede og spredte elektroner ved brug af ringformede detektorer. Selvom det er teknisk krævende, denne teknik giver forskere mulighed for præcist at visualisere en krystals gitterstruktur, atomrække for atomrække.

For den anden teknik, ÅL, de elektroner, der passerer gennem det centrale hul i den ringformede detektor, bliver i stedet opsamlet. Nogle af disse elektroner har tidligere mistet noget energi på grund af deres interaktion med nikkelatkrystallens Ni-atomer. Ved at måle, hvordan denne energiforskel ændrer sig, vi kan bestemme den metalliske eller isolerende tilstand af nikkelatforbindelsen.

Da alle elektroner er spredt og opsamlet samtidigt, forskerne var i stand til at korrelere de elektroniske tilstandsændringer med de tilhørende gitterpositioner i de forskellige nikkelatforbindelser. Denne tilgang tillod dem at kortlægge, for første gang, den rumlige konfiguration af deres metalliske eller isolerende områder, når en meget høj rumlig opløsning på omkring 3,5 Ångstrøm (0,35 nanometer). Teknikken vil være et værdifuldt værktøj til at studere og vejlede atomkonstruktionen af ​​disse nye elektroniske materialer.

"De nyeste elektronmikroskoper giver os en fantastisk evne til at måle en række forskellige materialers fysiske egenskaber med atomær eller nanometrisk rumlig opløsning, " siger Duncan Alexander. "Her, ved at skubbe mulighederne i EPFLs Titan Themis-mikroskop til det yderste, vi tager et spændende skridt fremad på dette område, ved at bevise, at vi kan måle ændringerne i elektronisk tilstand på tværs af en tyndfilmstruktur, der er fremstillet præcist af to forskellige nikkelater. Vores tilgang åbner nye veje til at undersøge fysikken i disse nikkelatforbindelser, som har vakt forskningsinteresse verden over."

"Kombinationen af ​​fantastiske kunstige materialer, der viser en overgang fra metal til isolator og meget avanceret elektronmikroskopi har muliggjort hidtil usete detaljerede undersøgelser af deres elektroniske egenskaber, " tilføjer Jean-Marc Triscone. "Isærligt, det afslørede, på atomær skala, om materialet er ledende eller isolerende - et vigtigt spørgsmål for bedre at forstå disse materialer, der kan bruges i fremtidige computertilgange."