Het gebruik van een bekende tool op een manier die nooit bedoeld was om te worden gebruikt, opent een geheel nieuwe methode om materialen te verkennen, rapporteren UConn-onderzoekers in Proceedings van de National Academy of Science . Hun specifieke bevindingen zouden op een dag veel energie-efficiëntere computerchips kunnen opleveren, maar de nieuwe techniek zelf zou nieuwe ontdekkingen kunnen opleveren in een breed scala van soorten.

Atoomkrachtmicroscopen (AFM) slepen een ultrascherpe punt over materialen, ooit zo dichtbij maar nooit het oppervlak raken. De punt kan voelen waar het oppervlak is, het detecteren van elektrische en magnetische krachten die door het materiaal worden geproduceerd. Door het methodisch heen en weer te laten gaan, een onderzoeker kan de oppervlakte-eigenschappen van een materiaal in kaart brengen op dezelfde manier waarop een landmeter methodisch over een stuk land loopt om het territorium in kaart te brengen. AFM's kunnen een kaart geven van de gaten in een materiaal, uitsteeksels, en eigenschappen op een schaal die duizenden malen kleiner is dan een korrel zout.

AFM's zijn ontworpen om oppervlakken te onderzoeken. Meestal, de gebruiker doet erg zijn best om niet met de punt tegen het materiaal te stoten, omdat dit het oppervlak van het materiaal kan beschadigen. Maar soms gebeurt het. Een paar jaar geleden, afgestudeerde student Yasemin Kutes en Justin Luria, een postdoc, het bestuderen van zonnecellen in het laboratorium van materiaalwetenschap en techniek, professor Brian Huey, per ongeluk in hun monster gegraven. Eerst dacht ik dat het een irritante fout was, ze merkten wel dat de eigenschappen van het materiaal er anders uitzagen toen Kutes de punt van de AFM diep in de greppel stak die ze per ongeluk had gegraven.

Kutes en Luria gingen er niet achteraan. Maar een andere afgestudeerde student, James Steffes, werd geïnspireerd om het idee nader te bekijken. Wat zou er gebeuren als je opzettelijk de punt van een AFM als een beitel zou gebruiken, en in een materiaal gegraven, hij vroeg zich af? Zou het in staat zijn om de elektrische en magnetische eigenschappen laag voor laag in kaart te brengen, het opbouwen van een 3D-beeld van de eigenschappen van het materiaal op dezelfde manier waarop het het oppervlak in 2D in kaart heeft gebracht? En zouden de eigenschappen er diep in een materiaal anders uitzien?

De antwoorden, Steffes, Hoei, en hun collega's melden in PNAS , zijn ja en ja. Ze groeven in een monster van bismutferriet (BiFeO3), wat een multiferroïsch kamertemperatuur is. Multiferroics zijn materialen die meerdere elektrische of magnetische eigenschappen tegelijk kunnen hebben. Bijvoorbeeld, bismutferriet is zowel antiferromagnetisch - het reageert op magnetische velden, maar vertoont over het algemeen geen magnetische noord- of zuidpool - en ferro-elektrisch, wat betekent dat het een schakelbare elektrische polarisatie heeft. Dergelijke ferro-elektrische materialen zijn meestal samengesteld uit kleine secties, domeinen genoemd. Elk domein is als een cluster van batterijen waarvan de positieve polen allemaal in dezelfde richting zijn uitgelijnd. De clusters aan weerszijden van dat domein zullen in een andere richting wijzen. Ze zijn zeer waardevol voor computergeheugen, omdat de computer de domeinen kan omdraaien, 'schrijven' op het materiaal, met behulp van magnetische of elektrische velden.

Wanneer een materiaalwetenschapper informatie leest of schrijft op een stuk bismutferriet, ze kunnen normaal gesproken alleen zien wat er aan de oppervlakte gebeurt. Maar ze zouden graag willen weten wat er onder de oppervlakte gebeurt - als dat werd begrepen, het is misschien mogelijk om het materiaal te construeren tot efficiëntere computerchips die sneller werken en minder energie verbruiken dan de huidige. Dat zou een groot verschil kunnen maken in het totale energieverbruik van de samenleving - al 5 procent van alle elektriciteit die in de VS wordt verbruikt, gaat naar draaiende computers.

Er achter komen, Steffes, Hoei, en de rest van het team gebruikte een AFM-tip om minutieus door een film van bismutferriet te graven en het interieur in kaart te brengen, stuk voor stuk. Ze ontdekten dat ze de afzonderlijke domeinen helemaal naar beneden konden toewijzen, patronen en eigenschappen bloot te leggen die niet altijd zichtbaar waren aan de oppervlakte. Soms vernauwde een domein zich tot het verdween of splitste zich in een y-vorm, of samengevoegd met een ander domein. Niemand had ooit eerder op deze manier in het materiaal kunnen kijken. Het was onthullend, alsof je naar een 3D-CT-scan van een bot kijkt terwijl je voorheen alleen 2-D-röntgenfoto's kon lezen.

"Wereldwijd, er zijn ongeveer 30, 000 AFM's al geïnstalleerd. Een groot deel daarvan gaat in 2019 [3-D mapping met] AFM proberen, terwijl onze gemeenschap zich realiseert dat ze de hele tijd nog maar aan de oppervlakte zijn gekomen, " Huey voorspelt. Hij denkt ook dat meer laboratoria nu AFM's zullen kopen als wordt aangetoond dat 3D-mapping voor hun materialen werkt, en sommige microscoopfabrikanten zullen AFM's specifiek gaan ontwerpen voor 3D-scanning.

Steffes is vervolgens afgestudeerd aan UConn met zijn Ph.D. en werkt nu bij GlobalFoundries, een computerchipmaker. Onderzoekers van Intel, muRata, en elders zijn ook geïntrigeerd door wat de groep ontdekte over bismutferriet, terwijl ze op zoek zijn naar nieuwe materialen om de volgende generatie computerchips te maken. Het Huey-team, In de tussentijd, gebruikt nu AFM's om in allerlei materialen te graven, van beton tot bot tot tal van computercomponenten.

"Werken met academische en zakelijke partners, we kunnen ons nieuwe inzicht gebruiken om te begrijpen hoe we deze materialen beter kunnen ontwerpen om minder energie te verbruiken, hun prestaties optimaliseren, en hun betrouwbaarheid en levensduur te verbeteren - dat zijn voorbeelden van wat materiaalwetenschappers elke dag nastreven, "zegt Huy.