science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Nieuwe akoestische techniek onthult structurele informatie in materialen op nanoschaal

Een schematische weergave van de atomaire krachtmicroscoop die in wisselwerking staat met het materiaaloppervlak. Krediet:Krediet:Rama Vasudevan, ORNL

Begrijpen waar en hoe faseovergangen plaatsvinden, is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van nieuwe generaties van de materialen die worden gebruikt in hoogwaardige batterijen, sensoren, apparaten voor het oogsten van energie, medische diagnostische apparatuur en andere toepassingen. Maar tot nu toe was er geen goede manier om deze verschijnselen op de relevante lengteschalen te bestuderen en tegelijkertijd in kaart te brengen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben een nieuwe niet-destructieve techniek ontwikkeld om deze materiële veranderingen te onderzoeken door de akoestische respons op nanoschaal te onderzoeken. Informatie verkregen uit deze techniek - die gebruik maakt van elektrisch geleidende atomic force microscope (AFM) -sondes - zou een leidraad kunnen zijn bij het ontwerpen van materialen met verbeterde eigenschappen op kleine schaal.

De benadering is gebruikt in ferro-elektrische materialen, maar zou ook toepassingen kunnen hebben in ferro-elastieken, vaste protonzuren en materialen die bekend staan ​​als relaxors. Gesponsord door de National Science Foundation en het Department of Energy's Office of Science, het onderzoek werd op 15 december gerapporteerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

"We hebben een nieuwe karakteriseringstechniek ontwikkeld waarmee we veranderingen in de kristallijne structuur en veranderingen in materiaalgedrag op aanzienlijk kleinere lengteschalen kunnen bestuderen met een relatief eenvoudige benadering, " zei Nazanin Bassiri-Gharb, een universitair hoofddocent aan de Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech. "Weten waar deze faseovergangen plaatsvinden en op welke lengteschalen ons kan helpen bij het ontwerpen van materialen van de volgende generatie."

Variaties in het energieprofiel van het kristal onder toenemend toegepast elektrisch veld, het tonen van een verandering een faseverandering in het materiaal. Krediet:Krediet:Hamidreza Khassaf, Universiteit van Connecticut

In ferro-elektrische materialen zoals PZT (loodzirkonaattitanaat), faseovergangen kunnen optreden op de grenzen tussen het ene kristaltype en het andere, onder externe prikkels. Eigenschappen zoals de piëzo-elektrische en diëlektrische effecten kunnen worden versterkt aan de grenzen, die worden veroorzaakt door de "verwarde chemie" van de materialen met meerdere elementen. Bepalen wanneer deze overgangen plaatsvinden kan in stortgoed met verschillende technieken, en op de kleinste schalen met behulp van een elektronenmicroscoop.

De onderzoekers realiseerden zich dat ze deze fase-overgangen konden detecteren met behulp van akoestische technieken in monsters op grootteschalen tussen de bulk en tientallen atomen. Met behulp van band-excitatie piëzoresponskrachtmicroscopie (BE-PFM) technieken ontwikkeld bij ORNL, ze analyseerden de resulterende veranderingen in resonantiefrequenties om faseveranderingen in steekproefgroottes te detecteren die relevant zijn voor de materiaaltoepassingen. Om dat te doen, ze brachten een elektrisch veld aan op de monsters met behulp van een AFM-tip die was gecoat met platina om het geleidend te maken, en door het genereren en detecteren van een frequentieband.

"We hebben zeer goede technieken gehad om deze faseveranderingen op grote schaal te karakteriseren, en we hebben elektronenmicroscopie kunnen gebruiken om bijna atomistisch uit te zoeken waar de faseovergang plaatsvindt, maar totdat deze techniek werd ontwikkeld, we hadden niets ertussenin, " zei Bassiri-Gharb. "Om de structuur van deze materialen door chemische of andere middelen te beïnvloeden, we moesten echt weten waar de overgang kapot gaat, en op welke lengteschaal dat gebeurt. Deze techniek vult een leemte in onze kennis."

De veranderingen die de onderzoekers akoestisch detecteren, zijn te wijten aan de elastische eigenschappen van de materialen, dus vrijwel elk materiaal met vergelijkbare veranderingen in elastische eigenschappen zou op deze manier kunnen worden bestudeerd. Bassiri-Gharb is geïnteresseerd in ferro-elektriciteit zoals PZT, maar materialen die worden gebruikt in brandstofcellen, batterijen, Op deze manier zouden ook transducers en energieoogstapparatuur kunnen worden onderzocht.

"Deze nieuwe methode zal zorgen voor veel meer inzicht in energieoogst- en energietransductiematerialen bij de relevante lengteverkoop, " merkte Rama Vasudeven op, de eerste auteur van het artikel en een materiaalwetenschapper bij het Center for Nanophase Materials Sciences, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy bij ORNL.

De onderzoekers hebben ook de relaxor-ferro-elektrische materialen gemodelleerd met behulp van thermodynamische methoden, die het bestaan ​​van een faseovergang en de evolutie van een complex domeinpatroon ondersteunde, in overeenstemming met de experimentele resultaten.

Het gebruik van de op de AFM gebaseerde techniek biedt een aantal aantrekkelijke eigenschappen. Laboratoria die al AFM-apparatuur gebruiken, kunnen deze eenvoudig aanpassen om deze materialen te analyseren door elektronische componenten en een geleidende sondetip toe te voegen, Bassiri-Gharb merkte op. De AFM-apparatuur kan worden gebruikt onder een temperatuurbereik, elektrisch veld en andere omgevingsomstandigheden die niet gemakkelijk kunnen worden geïmplementeerd voor elektronenmicroscoopanalyse, waardoor wetenschappers deze materialen onder realistische bedrijfsomstandigheden kunnen bestuderen.

"Deze techniek kan een reeks verschillende materialen onderzoeken op kleine schaal en onder moeilijke omgevingsomstandigheden die anders ontoegankelijk zouden zijn, "zei Bassiri-Gharb. "Materialen die in energietoepassingen worden gebruikt, ondergaan dit soort omstandigheden, en onze techniek kan de informatie verschaffen die we nodig hebben om materialen te engineeren met verbeterde reacties."

Hoewel veel gebruikt, relaxor-ferro-elektriciteit en PZT zijn nog steeds niet goed begrepen. In relaxor-ferro-elektriciteit, bijvoorbeeld, men gelooft dat er zakken met materiaal zijn in fasen die verschillen van de bulk, een vervorming die kan helpen de aantrekkelijke eigenschappen van het materiaal te verlenen. Door hun techniek te gebruiken, de onderzoekers bevestigden dat de faseovergangen extreem gelokaliseerd kunnen zijn. Ze leerden ook dat er op diezelfde locaties hoge reacties van de materialen optraden.

Volgende stappen zijn onder meer het variëren van de chemische samenstelling van het materiaal om te zien of die overgangen - en verbeterde eigenschappen - kunnen worden gecontroleerd. De onderzoekers zijn ook van plan om andere materialen te onderzoeken.

"Het blijkt dat veel energiegerelateerde materialen elektrische overgangen hebben, dus we denken dat dit heel belangrijk zal zijn voor het bestuderen van functionele materialen in het algemeen, " voegde Bassiri-Gharb toe. "Het potentieel voor het verkrijgen van nieuw begrip van deze materialen en hun toepassingen is enorm."