Att använda ett välbekant verktyg på ett sätt som det aldrig var tänkt att användas öppnar upp en helt ny metod för att utforska material, rapporterar UConn-forskare i Proceedings of the National Academy of Science . Deras specifika fynd skulle en dag kunna skapa mycket mer energieffektiva datorchips, men den nya tekniken i sig kan öppna upp för nya upptäckter inom ett brett spektrum av ämnen.

Atomic force microscopes (AFM) drar en ultravass spets över material, aldrig så nära men aldrig vidröra ytan. Spetsen kan känna var ytan är, detekterar elektriska och magnetiska krafter som produceras av materialet. Genom att metodiskt skicka det fram och tillbaka, en forskare kan kartlägga ytegenskaperna hos ett material på samma sätt som en lantmätare metodiskt går över ett stycke land för att kartlägga territoriet. AFM:er kan ge en karta över ett materials hål, utsprång, och egenskaper i en skala som är tusentals gånger mindre än ett saltkorn.

AFM är utformade för att undersöka ytor. För det mesta, användaren försöker verkligen att inte stöta materialet med spetsen, eftersom det kan skada materialets yta. Men ibland händer det. Några år sedan, doktorand Yasemin Kutes och Justin Luria, en postdoc, studerar solceller i materialvetenskap och ingenjörsprofessor Brian Hueys labb, av misstag grävt i deras prov. Tänkte först att det var ett irriterande misstag, de märkte att egenskaperna hos materialet såg annorlunda ut när Kutes stack in spetsen på AFM djupt i diket som hon av misstag grävt.

Kutes och Luria gjorde det inte. Men en annan doktorand, James Steffes, blev inspirerad att titta närmare på idén. Vad skulle hända om du avsiktligt använde spetsen på en AFM som en mejsel, och grävde i ett material, han undrade? Skulle den kunna kartlägga de elektriska och magnetiska egenskaperna lager för lager, bygga upp en 3D-bild av materialets egenskaper på samma sätt som den kartlade ytan i 2D? Och skulle egenskaperna se annorlunda ut djupt inne i ett material?

Svaren, Steffes, Huey, och deras kollegor rapporterar in PNAS , är ja och ja. De grävde i ett prov av vismutferrit (BiFeO3), som är en rumstempererad multiferroisk. Multiferroics är material som kan ha flera elektriska eller magnetiska egenskaper samtidigt. Till exempel, vismutferrit är både antiferromagnetisk - den reagerar på magnetfält, men överlag uppvisar inte en nord- eller sydmagnetisk pol – och ferroelektrisk, vilket innebär att den har omkopplingsbar elektrisk polarisation. Sådana ferroelektriska material är vanligtvis sammansatta av små sektioner, kallas domäner. Varje domän är som ett kluster av batterier som alla har sina positiva poler i samma riktning. Klustren på vardera sidan av den domänen kommer att peka i en annan riktning. De är mycket värdefulla för datorminne, eftersom datorn kan vända domänerna, "skriva" på materialet, med hjälp av magnetiska eller elektriska fält.

När en materialforskare läser eller skriver information på en bit vismutferrit, de kan normalt bara se vad som händer på ytan. Men de skulle älska att veta vad som händer under ytan - om det förstods, det kan vara möjligt att konstruera materialet till effektivare datorchips som går snabbare och använder mindre energi än de som finns tillgängliga idag. Det kan göra stor skillnad i samhällets totala energiförbrukning — redan, 5 procent av all el som förbrukas i USA går till att köra datorer.

Att få reda på, Steffes, Huey, och resten av teamet använde ett AFM-tips för att noggrant gräva igenom en film av vismutferrit och kartlägga interiören, bit för bit. De fann att de kunde kartlägga de enskilda domänerna hela vägen ner, exponerar mönster och egenskaper som inte alltid var uppenbara på ytan. Ibland minskade en domän tills den försvann eller delades upp i en y-form, eller slås samman med en annan domän. Ingen hade någonsin kunnat se inuti materialet på detta sätt tidigare. Det var avslöjande, som att titta på en 3-D CT-skanning av ett ben när du bara hade kunnat läsa 2-D röntgenbilder tidigare.

"Över hela världen, det finns något som 30, 000 AFM redan installerade. En stor bråkdel av dem kommer att prova [3D-kartläggning med] AFM under 2019, när vårt samhälle inser att de bara har skrapat på ytan hela tiden, " Huey förutspår. Han tror också att fler laboratorier kommer att köpa AFM nu om 3D-kartläggning visar sig fungera för deras material, och vissa mikroskoptillverkare kommer att börja designa AFM:er specifikt för 3D-skanning.

Steffes har därefter tagit examen från UConn med sin Ph.D. och arbetar nu på GlobalFoundries, en datorchiptillverkare. Forskare på Intel, muRata, och på andra håll är också intresserade av vad gruppen fick reda på om vismutferrit, när de letar efter nya material för att göra nästa generations datorchips. Hueys team, under tiden, använder nu AFM för att gräva i alla typer av material, från betong till ben till en mängd datorkomponenter.

"Att arbeta med akademiska och företagspartners, vi kan använda vår nya insikt för att förstå hur vi bättre konstruerar dessa material för att använda mindre energi, optimera deras prestanda, och förbättra deras tillförlitlighet och livslängd – det är exempel på vad materialforskare strävar efter att göra varje dag, " säger Huey.