Vanderbilt-forskarna Sokrates Pantelides och Joshua Caldwell ingår i ett internationellt samarbete som har visat på ett nytt sätt att manipulera och mäta subtila atomvibrationer i nanomaterial. Detta genombrott skulle kunna göra det möjligt att utveckla skräddarsydda funktionaliteter för att förbättra och bygga ny teknik.

Elektronstrålar i kraftfulla mikroskop har sonderat material och nanostrukturer med atomisk upplösning, avbildat atomarrangemangen och i kombination med teori, avslöjat elektroniska och magnetiska egenskaper. Den senaste tidens utveckling inom mikroskopi bidrar till att göra det möjligt att få direkta signaler från fononer, nämligen vibrationslägen, med hög upplösning i både rymd och energi. Forskare kan nu mäta distinkta vibrationslägen vid gränssnitt i flerskiktsstrukturer, defekter och andra inhomogeniteter.

"Vårt team kombinerade sådana mätningar med lasersonder och teoretiska undersökningar för att få en komplett bild av den underliggande fysiken som i slutändan kommer att ligga till grund för ny teknik," sa Pantelides.

I denna forskning, publicerad i tidskriften Nature den 26 januari skiktade teamet två olika oxider i en Lego-liknande nanostruktur som kallas supergitter. Strukturerna avbildades i atomär skala av Eric Hoglund, tidningens första författare och en forskare vid University of Virginia. Jordan A. Hachtel, en tidigare student vid Pantelides och en expertmikroskopist vid Center for Nanophase Materials Sciences vid Oak Ridge National Laboratory, utförde precisionsmätningarna av vibrationslägen för dessa komplexa supergitter.

Caldwell, Flowers Family Chancellor's Faculty Fellow i teknik och docent i maskinteknik, och hans student Joseph Matson utförde kompletterande infraröda spektroskopier av vibrationslägena. Pantelides, University Distinguished Professor of Physics and Engineering, William A. och Nancy F. McMinn Professor i fysik och professor i elektroteknik, och hans gruppmedlemmar Andrew O'Hara och De-Liang Bao, forskarassistent respektive postdoktor, utförde de teoretiska beräkningarna som gav kopplingar mellan olika experiment för att konstruera en heltäckande bild. Den kombinerade forskningen fastställde att när tjockleken på lagren i supergittren krymper, domineras atomvibrationerna initialt av de två bulkmaterialen, men utvecklas gradvis till att domineras av atomgränssnitten, som definierar en ny kristallstruktur.

Tidigare kombinationer av teoretiska beräkningar med hjälp av kvantmekanik med fysikaliska experiment gjorde det möjligt för fysiker och ingenjörer att förstå hur material beter sig. Sådana undersökningar resulterade i skapandet och utvecklingen av de digitala enheter som vi idag tar för givna. Elektronmikroskop spelade en stor roll i dessa uppdrag, men tills nyligen hade de inte tillräcklig upplösning för att avbilda atomvibrationer.

"Emergenta egenskaper resulterar på nanoskala, särskilt när vi sätter ihop material. Från dessa kombinationer får vi nya beteenden som vi inte förväntade oss," sa Pantelides. "Varje gång det finns en struktur med nya egenskaper går ingenjörsinnet direkt till att tänka på vilka nya material med nya funktioner och nya enheter som kan tillverkas. Enkelt uttryckt är det så här teknik skapas."

Caldwell och Matson har undersökt de infraröda egenskaperna hos supergitter i atomskala. "De infraröda egenskaperna hos polära kristaller drivs i första hand av materialens optiska fononer. Detta arbete bygger alltså på ett koncept som vi refererar till som den kristallina hybriden, där kombinationer av atomärt tunna material i supergitter kan användas för att inducera framträdande egenskaper, " sa Caldwell. Denna ansträngning förbättrades avsevärt genom att visa att skalan på dessa mätningar kan krympas för att mäta det mest exakta beteendet som fångats hittills.

Detta arbete har potential att förbättra kunskapen inom mikroskopi, optisk vetenskap, fysik och teknik. "Vi har nått en stegvis förändring i den här tekniken. Genom att förbättra hur vi mäter, kan vi bättre arbeta med och manipulera dessa nanomaterial. Vi är mycket mer säkra på att vi kan designa strukturer med anpassade egenskaper," sa Pantelides.

Pantelides och Caldwell kommer att fortsätta att samarbeta med Oak Ridge National Laboratory för att göra fler framsteg inom området, särskilt när det gäller att expandera till olika kristallstrukturer och andra materialsystem av intresse som nitridbaserade halvledare.

Forskare från University of Virginia, Sandia National Laboratory, University of California Berkeley, Purdue University och Humboldt University och Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik i Tyskland deltog i denna forskning. + Utforska vidare

Ny mikroskopiteknik avslöjar en funktion som kan forma tillämpningar av en klass av kvantmaterial