Vanderbilt-onderzoekers Sokrates Pantelides en Joshua Caldwell maken deel uit van een internationale samenwerking die een nieuwe manier heeft aangetoond om subtiele atomaire trillingen in nanomaterialen te manipuleren en te meten. Deze doorbraak zou het mogelijk kunnen maken om op maat gemaakte functionaliteiten te ontwikkelen om nieuwe technologieën te verbeteren en te bouwen.

Elektronenstralen in krachtige microscopen hebben materialen en nanostructuren onderzocht met een resolutie op atomaire schaal, de atomaire rangschikkingen in beeld gebracht en in combinatie met theorie onthulde elektronische en magnetische eigenschappen. Recente ontwikkelingen in de microscopie maken het mogelijk om directe signalen van fononen, namelijk trillingsmodi, met een hoge resolutie in zowel ruimte als energie te krijgen. Onderzoekers kunnen nu verschillende vibratiemodi meten op grensvlakken in meerlagige structuren, defecten en andere inhomogeniteiten.

"Ons team combineerde dergelijke metingen met lasersondes en theoretisch onderzoek om een ​​volledig beeld te krijgen van de onderliggende fysica die uiteindelijk de basis zal vormen voor nieuwe technologieën," zei Pantelides.

In dit onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Nature op 26 januari bracht het team twee verschillende oxiden in lagen in een Lego-achtige nanostructuur die een superrooster wordt genoemd. De structuren werden op atomaire schaal afgebeeld door Eric Hoglund, de eerste auteur van het artikel en een onderzoeker aan de Universiteit van Virginia. Jordan A. Hachtel, een voormalig student van Pantelides en een deskundige microscopist bij het Center for Nanophase Materials Sciences van het Oak Ridge National Laboratory, voerde de precisiemetingen uit van de trillingsmodi van deze complexe superroosters.

Caldwell, Flowers Family Chancellor's Faculty Fellow in Engineering en universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, en zijn student Joseph Matson voerden complementaire infraroodspectroscopieën uit van de trillingsmodi. Pantelides, University Distinguished Professor of Physics and Engineering, William A. en Nancy F. McMinn Professor in de natuurkunde en professor in elektrotechniek, en zijn groepsleden Andrew O'Hara en De-Liang Bao, respectievelijk onderzoeksassistent-professor en postdoctoraal wetenschapper, voerde de theoretische berekeningen uit die verbanden legden tussen verschillende experimenten om een ​​alomvattend beeld te construeren. Het gecombineerde onderzoek stelde vast dat naarmate de dikte van de lagen in de superroosters krimpt, de atomaire trillingen aanvankelijk worden gedomineerd door die van de twee bulkmaterialen, maar geleidelijk evolueert om te worden gedomineerd door de atomaire interfaces, die een nieuwe kristalstructuur definiëren.

Eerdere combinaties van theoretische berekeningen met behulp van kwantummechanica met fysieke experimenten stelden natuurkundigen en ingenieurs in staat te begrijpen hoe materialen zich gedragen. Dergelijke onderzoeken hebben geleid tot de creatie en ontwikkeling van de digitale apparaten die we tegenwoordig als vanzelfsprekend beschouwen. Elektronenmicroscopen speelden een grote rol in deze zoektochten, maar hadden tot voor kort niet voldoende resolutie om atomaire trillingen in beeld te brengen.

"Emergente eigenschappen resulteren op nanoschaal, vooral wanneer we materialen samenvoegen. Uit deze combinaties krijgen we nieuw gedrag dat we niet hadden verwacht," zei Pantelides. "Elke keer dat er een structuur is met nieuwe eigenschappen, gaat de technische geest meteen nadenken over welke nieuwe materialen met nieuwe functionaliteiten en nieuwe apparaten kunnen worden gemaakt. Simpel gezegd, dit is hoe technologie wordt gecreëerd."

Caldwell en Matson hebben de infraroodeigenschappen van superroosters op atomaire schaal onderzocht. "De infrarode eigenschappen van polaire kristallen worden voornamelijk bepaald door de optische fononen van de materialen. Dit werk bouwt dus voort op een concept dat we de kristallijne hybride noemen, waarbij combinaties van atomair dunne materialen in superroosters kunnen worden gebruikt om opkomende eigenschappen te induceren, ' zei Caldwell. Deze inspanning werd aanzienlijk verbeterd door aan te tonen dat de schaal van deze metingen kan worden verkleind om het meest nauwkeurige tot nu toe vastgelegde gedrag te meten.

Dit werk heeft het potentieel om de kennis op het gebied van microscopie, optische wetenschap, natuurkunde en techniek te verbeteren. "We hebben een stapsgewijze verandering in deze technologie bereikt. Door de manier waarop we meten te verbeteren, kunnen we beter met deze nanomaterialen werken en deze manipuleren. We hebben er veel meer vertrouwen in dat we structuren kunnen ontwerpen met aangepaste eigenschappen", zei Pantelides.

Pantelides en Caldwell zullen blijven samenwerken met Oak Ridge National Laboratory om meer vooruitgang in het veld na te streven, vooral bij de uitbreiding naar verschillende kristalstructuren en andere materiaalsystemen van belang, zoals op nitride gebaseerde halfgeleiders.

Onderzoekers van de Universiteit van Virginia, Sandia National Laboratory, University of California Berkeley, Purdue University en Humboldt University en het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Duitsland namen deel aan dit onderzoek. + Verder verkennen

Nieuwe microscopietechniek onthult een functie die toepassingen van een klasse kwantummaterialen kan vormen