康涅狄格州大学 铋酸盐/氧化锶/氧化镝薄膜异质结构的TAFM效应
学分:美国国家科学院学报(2019)
DOI: 10
1073/pnas
1806074116 康涅狄格大学的研究人员在《美国国家科学院院刊》上报道说，以一种从未打算使用的方式使用一种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能会创造出更节能的计算机芯片，但新技术本身可能会在广泛的领域带来新的发现
原子力显微镜(AFM)拖动一个超锋利的尖端穿过材料，非常近，但从未接触到表面
尖端可以感觉表面的位置，检测材料产生的电和磁力
通过有条不紊地来回传递，研究人员可以绘制出材料的表面属性，就像测量员有条不紊地在一块土地上踱步来绘制领土一样
原子力显微镜能以比一粒盐小几千倍的比例给出一种物质的洞、突起和性质的地图
原子力显微镜是用来研究表面的
大多数情况下，用户非常努力地避免用尖端撞击材料，因为这可能会损坏材料的表面
但有时会发生
几年前，在材料科学与工程教授布莱恩·休伊的实验室研究太阳能电池的研究生亚塞敏·库特斯和博士后贾斯汀·鲁利亚无意中挖出了他们的样本
起初，他们认为这是一个令人恼火的错误，但当库特斯把原子力显微镜的尖端深深插入她不小心挖的沟里时，他们确实注意到了材料的性质看起来不同
库特斯和鲁利亚没有追究
但另一名研究生詹姆斯·斯特夫斯受到启发，更仔细地研究了这个想法
他想知道，如果你像凿子一样故意使用原子力显微镜的尖端，并挖进一种材料，会发生什么？它能够一层一层地绘制出电和磁的特性，建立起材料特性的三维图像，就像它在二维中绘制表面一样吗？材料内部的性质会有什么不同吗？ 斯蒂芬斯、休伊和他们在PNAS的同事报告说，答案是肯定的
他们挖了一个铁酸铋的样品，这是一种室温下的多铁性物质
多铁性材料可以同时具有多种电或磁特性
例如，铁酸铋既是反铁磁性的——它对磁场有反应，但总体上不表现出北极或南极——又是铁电性的，这意味着它具有可切换的极化
这种铁电材料通常由称为畴的微小部分组成
每个域就像一组电池，它们的正极都排列在同一个方向
该域两侧的簇将指向另一个方向
它们对计算机记忆非常有价值，因为计算机可以利用磁场或电场翻转磁畴，在材料上“写”
当材料科学家在一块铁酸铋上读或写信息时，他们通常只能看到表面发生了什么
但他们很想知道地表下发生了什么——如果这一点得到理解，就有可能将这种材料改造成比现在更高效、运行更快、消耗更少能量的计算机芯片
这可能会对社会的整体能源消耗产生巨大的影响——在美国，已经有5%的电力消耗用于运行电脑
为了找到答案，斯蒂芬斯、休伊和团队的其他成员使用原子力显微镜的尖端，一丝不苟地在铁酸铋薄膜上挖掘，一点一点地绘制出内部结构
他们发现他们可以一路向下映射单个域，暴露出在表面上并不总是明显的模式和属性
有时一个领域缩小，直到它消失或分裂成y形，或与另一个领域合并
以前从来没有人能够用这种方式看到材料的内部
这很有启发性，就像以前只能看二维x光片时，看一个骨骼的三维计算机断层扫描
“全世界已经安装了大约30，000台原子力显微镜
休伊预测说:“其中很大一部分人将在2019年尝试用原子力显微镜进行三维制图，因为我们的社区意识到他们一直在摸着石头过河。”
他还认为，如果三维绘图被证明适用于他们的材料，更多的实验室现在将购买原子力显微镜，一些显微镜制造商将开始设计专门用于三维扫描的原子力显微镜
斯蒂芬斯随后以博士学位从康涅狄格大学毕业
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现在在计算机芯片制造商全球铸造厂工作
英特尔、村田和其他地方的研究人员也对该小组发现的铁酸铋感兴趣，因为他们在寻找制造下一代计算机芯片的新材料
与此同时，休伊的团队现在正在使用原子力显微镜挖掘各种材料，从混凝土到骨头，再到大量的计算机组件
休伊说:“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理解如何更好地设计这些材料，以使用更少的能源，优化它们的性能，并提高它们的可靠性和寿命——这些都是材料科学家每天努力做的事情的例子。”
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