Atomerna i ett konstgjordt material, vismut järnoxid (BiFeO3, eller BFO), består av vismut (blå bollar), järn (röda kulor) och syre (gröna kulor) kan flyttas fram och tillbaka mellan en kubliknande rombohedral (R) och ett rektangulärt prisma eller tetragonal (T) arrangemang genom att applicera en lokal elektrisk spänning. Forskarna använde ett atomkraftmikroskop för att inducera och upptäcka denna strukturella förändring i mikroskopiska volymer genom att mäta en förändring i materialstyvhet. Det är, materialet blir mjukare när det sträcks från rombohedralen till den tetragonala strukturen. Att kontrollera materialets styvhet är viktigt för dess funktion i enheter som mikrofoner, ställdon, omkopplare, och sensorer. Kredit:US Department of Energy
Med en nål som är mycket tunnare än ett människohår, forskare avslöjade hur man kontrollerar mekanisk styvhet i ett lovande material. Teamet applicerade ett elektriskt fält med en nanostorlek för att orsaka en reversibel förändring av atomernas placering i materialet. Denna förändring är en fasövergång. Teamet omkonfigurerade atomkraftmikroskopet som de använde för att mäta den resulterande förändringen i materialets mekaniska egenskaper - med upp till 30 procents förändring.
Möjligheten att kontrollera och mäta mekaniska egenskaper kan leda till lovande material för avancerad akustik (t.ex. mikrofoner) och mikrovågsenheter. Också, forskare kan använda denna nya teknik för att avslöja nya fysikregler för övergångar i ett materials atomstruktur. Forskare kan tillämpa dessa regler för att identifiera nytt material för ställdon, omkopplare, magnetfältssensorer, och datorminne.
När ett material genomgår en fasförändring, dess atomstruktur är omorienterad, och många grundläggande materialegenskaper kan ändras inklusive mekanisk styvhet. Det betyder att materialet kan bli hårdare eller mjukare, vilket är en viktig faktor för applikationer som använder materialvibrationer som sensorer eller annat elektroniskt material. Traditionellt, forskare har studerat fasförändringar och mekaniska egenskaper med neutronspridning och mekanisk testning; tyvärr, dessa tekniker kan inte mäta materialens svar på nanoskala. I sista hand, nanoskala -mikrostrukturen och den resulterande funktionaliteten måste förstås för att förklara och förbättra enhetens prestanda.
Forskare som leds av Oak Ridge National Laboratory har använt en atomkraftmikroskopi (AFM) teknik för att avslöja spänningsinducerade förändringar i materialstyvhet i ett av de mest studerade multifunktionella materialen-vismutjärnoxid (BiFeO3). Användningen av en flerfrekvens AFM-teknik möjliggör applicering av en spänning på nanometerlängdskalor och fann en fasövergång som ursprunget för förändringen i materialstyvhet. Under en applicerad spänning, jätte styvhetsjusterbarhet hittades. Det är, materialstyvheten förändrades reversibelt över 30 procent, en ganska dramatisk förändring för dessa material. Koppling med modellering möjliggjorde en mer detaljerad förståelse av det observerade fenomenet när materialet blir mjukare under en applicerad spänning. Denna upptäckt och detaljerade förståelse av processer på nanometerlängdskala kan ha applikationer i avancerade enheter från högpresterande mikrofoner till nya typer av elektroniskt minne samt nya bildtekniker för att undersöka fysik relaterad till materialövergångar.
