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新技术本身可以在各种各样的东西中开辟新的发现

2019-07-02 14:36:55国外科研

在美国国家科学院院刊中,康涅狄格大学的研究人员报告说,以一种从未打算使用的方式使用熟悉的工具开辟了一种探索材料的全新方法。他们的具体发现有朝一日可以创造出更节能的计算机芯片,但新技术本身可以在各种各样的东西中开辟新的发现。

原子力显微镜(AFM)将超尖锐的尖端拖过材料,非常靠近但从不接触表面。尖端可以感觉到表面的位置,检测材料产生的电力和磁力。通过有条不紊地来回传递,研究人员可以绘制材料的表面属性,就像测量员有条理地跨越一块土地来绘制地图一样。原子力显微镜可以给出材料孔,突起和性质的图谱,其比例比盐粒小数千倍。

AFM旨在研究表面。大多数情况下,用户非常努力地不用尖端实际撞击材料,因为这可能会损坏材料的表面。但有时它会发生。几年前,研究生Yasemin Kutes和Justin Luria,一位博士后研究材料科学和工程学教授Brian Huey实验室的太阳能电池,不小心挖了他们的样本。起初认为这是一个令人恼火的错误,他们确实注意到当Kutes将AFM的尖端深深插入她不小心挖出的沟里时,材料的属性看起来不同。

Kutes和Luria没有追求它。但另一名研究生詹姆斯斯蒂芬斯受到启发,更加密切地关注这个想法。如果你故意像凿子一样使用原子力显微镜的尖端,并挖掘出一种材料,他会怎么想?它是否能够逐层绘制出电气和磁性属性,建立材料属性的三维图像,就像它在二维中映射表面一样?这些属性在材料内部看起来有什么不同吗?

答案,Steffes,Huey和他们的同事在PNAS报告,是的,是的。他们挖了一个铋铁氧体(BiFeO3)样品,这是一种室温多铁。多铁性材料是同时具有多种电学或磁性的材料。例如,铋铁氧体是反铁磁性的 - 它对磁场有反应,但总体上没有表现出北极或南极磁极和铁电,这意味着它具有可切换的电极化。这种铁电材料通常由称为畴的微小部分组成。每个域都像一组电池,它们的正极端子在同一方向上对齐。该域两侧的簇将指向另一个方向。它们对于计算机内存非常有价值,因为计算机可以翻转域,在文档上“书写”,

当材料科学家在一块铋铁氧体上读取或写入信息时,它们通常只能看到表面上发生的情况。但是他们很想知道在表面下发生了什么 - 如果理解的话,可能有可能将材料设计成更高效的计算机芯片,这些芯片运行速度更快,能耗比现有的更少。这可能会对社会的整体能源消耗产生重大影响 - 美国消耗的电力中有5%用于运行计算机。

为了找到答案,Steffes,Huey以及团队的其他成员使用AFM技巧精心挖掘了一块铋铁氧体薄膜并逐一绘制出内部图。他们发现他们可以将各个域一直向下映射,从而暴露出表面上并不总是明显的图案和属性。有时域缩小直到它消失或分裂成y形,或与另一个域合并。以前没有人能够以这种方式看到材料内部。当你以前只能读取二维X射线时,就像看着骨头的三维CT扫描一样具有启发性。

“在全球范围内,已经安装了30,000个原子力显微镜。其中很大一部分将在2019年尝试用AFM进行[3D绘图],因为我们的社区已经意识到他们一直在摸索表面,”Huey预测。他还认为,如果证明3-D映射适用于他们的材料,更多实验室将购买AFM,并且一些显微镜制造商将开始专门为3D扫描设计AFM。

斯蒂夫斯随后毕业于康涅狄格大学并获得博士学位。现在在计算机芯片制造商GlobalFoundries工作。英特尔,muRata和其他公司的研究人员也对该集团发现的铋铁氧体的兴趣很感兴趣,因为他们正在寻找新材料来制造下一代计算机芯片。与此同时,休伊的团队现在正在使用原子力显微镜来挖掘各种材料,从混凝土到骨头,再到大量的计算机组件。

“与学术和企业合作伙伴合作,我们可以利用我们的新见解来了解如何更好地设计这些材料以减少能源消耗,优化性能,提高可靠性和使用寿命 - 这些都是科学家每天努力做的材料的例子,“休伊说。