Gennembrudsmålinger af vibrerende atomer i nanostrukturer indleder ny klasse af teknologi

Vanderbilt-forskerne Sokrates Pantelides og Joshua Caldwell er en del af et internationalt samarbejde, der har demonstreret en ny måde at manipulere og måle subtile atomvibrationer i nanomaterialer. Dette gennembrud kunne gøre det muligt at udvikle skræddersyede funktionaliteter for at forbedre og bygge nye teknologier.

Elektronstråler i kraftige mikroskoper har sonderet materialer og nanostrukturer med opløsning i atomskala, afbildet atomarrangementerne og i kombination med teori afsløret elektroniske og magnetiske egenskaber. Den seneste udvikling inden for mikroskopi er med til at gøre det muligt at få direkte signaler fra fononer, nemlig vibrationstilstande, med høj opløsning i både rum og energi. Forskere kan nu måle forskellige vibrationstilstande ved grænseflader i flerlagsstrukturer, defekter og andre inhomogeniteter.

"Vores team kombinerede sådanne målinger med lasersonder og teoretiske undersøgelser for at opnå et komplet billede af den underliggende fysik, der i sidste ende vil danne grundlaget for nye teknologier," sagde Pantelides.

I denne forskning, offentliggjort i tidsskriftet Nature den 26. januar lagde holdet to forskellige oxider ind i en Lego-lignende nanostruktur kaldet et supergitter. Strukturerne blev afbildet på atomær skala af Eric Hoglund, papirets første forfatter og en forsker ved University of Virginia. Jordan A. Hachtel, en tidligere studerende af Pantelides og en ekspert mikroskopist ved Center for Nanophase Materials Sciences ved Oak Ridge National Laboratory, udførte præcisionsmålingerne af vibrationstilstande af disse komplekse supergitter.

Caldwell, Flowers Family Chancellor's Faculty Fellow in Engineering og lektor i maskinteknik, og hans studerende Joseph Matson udførte komplementære infrarøde spektroskopier af vibrationstilstandene. Pantelides, University Distinguished Professor of Physics and Engineering, William A. og Nancy F. McMinn Professor i fysik og professor i elektroteknik, og hans gruppemedlemmer Andrew O'Hara og De-Liang Bao, henholdsvis forskningsassistent og postdoktor, udførte de teoretiske beregninger, der gav forbindelser mellem forskellige eksperimenter for at konstruere et omfattende billede. Den kombinerede forskning fastslog, at efterhånden som tykkelsen af ​​lagene i supergitterne krymper, domineres atomvibrationerne i begyndelsen af ​​de to bulkmaterialers vibrationer, men udvikler sig gradvist til at blive domineret af atomgrænsefladerne, som definerer en ny krystalstruktur.

Tidligere kombinationer af teoretiske beregninger ved hjælp af kvantemekanik med fysiske eksperimenter gjorde det muligt for fysikere og ingeniører at forstå, hvordan materialer opfører sig. Sådanne undersøgelser resulterede i skabelsen og udviklingen af ​​de digitale enheder, vi tager for givet i dag. Elektronmikroskoper spillede en stor rolle i disse quests, men indtil for nylig havde de ikke tilstrækkelig opløsning til at afbilde atomare vibrationer.

"Emergent egenskaber resulterer på nanoskala, især når vi sætter materialer sammen. Fra disse kombinationer får vi ny adfærd, som vi ikke havde forventet," sagde Pantelides. "Hver gang der er en struktur med nye egenskaber, går ingeniørsindet direkte til at tænke på, hvilke nye materialer med nye funktionaliteter og nye enheder der kan laves. Kort sagt er det sådan, teknologi bliver skabt."

Caldwell og Matson har undersøgt de infrarøde egenskaber af supergitter i atomskala. "De infrarøde egenskaber af polære krystaller er primært drevet af materialernes optiske fononer. Dette arbejde bygger således på et koncept, vi omtaler som den krystallinske hybrid, hvor kombinationer af atomisk tynde materialer i supergitter kan bruges til at inducere emergent egenskaber, " sagde Caldwell. Denne indsats blev væsentligt forbedret ved at demonstrere, at omfanget af disse målinger kan krympes for at måle den mest præcise adfærd, der er fanget til dato.

Dette arbejde har potentialet til at forbedre viden på tværs af mikroskopi, optisk videnskab, fysik og teknik. "Vi har nået en trinvis ændring i denne teknologi. Ved at forbedre, hvordan vi måler, er vi i stand til bedre at arbejde med og manipulere disse nanomaterialer. Vi er meget mere sikre på, at vi kan designe strukturer med tilpassede egenskaber," sagde Pantelides.

Pantelides og Caldwell vil fortsætte med at samarbejde med Oak Ridge National Laboratory for at forfølge flere fremskridt på området, især med at udvide til forskellige krystalstrukturer og andre materialesystemer af interesse, såsom nitridbaserede halvledere.

Forskere fra University of Virginia, Sandia National Laboratory, University of California Berkeley, Purdue University og Humboldt University og Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik i Tyskland deltog i denne forskning. + Udforsk yderligere

Ny mikroskopiteknik afslører en funktion, der kan forme anvendelser af en klasse af kvantematerialer