انتقال فاز نقشه برداری نانو در مواد الکترونیکی

دانشمندان دو تکنیک قدرتمند و پیشرفته را برای کشف فیزیک پشت مرحله انتقال عجیب و غریب که فلز را به یک عایق تبدیل می کند ، ترکیب کرده اند. موادی که آنها مورد بررسی قرار گرفتند ، نیکلات های کمیاب خاکی است که برای نوآوری رویکردهای جدید در الکترونیک بسیار مورد توجه است.

دانشمندان EPFL و دانشگاه ژنو دو تکنیک قدرتمند و پیشرفته را برای کشف فیزیک پشت مرحله انتقال عجیب و غریب که فلز را به یک عایق تبدیل می کند ، ترکیب کرده اند. موادی که آنها مورد بررسی قرار گرفتند ، نیکلات های کمیاب خاکی است که برای نوآوری رویکردهای جدید در الکترونیک بسیار مورد توجه است.

"انتقال فاز" یک پدیده اصلی در علوم فیزیکی است. علیرغم اینکه صدابرداری فنی دارند ، در واقع مواردی است که همه ما در زندگی روزمره تجربه می کنیم: ذوب شدن یخ در آب مایع یا تبخیر آب گرم به عنوان بخار. جامد ، مایع و گاز سه "فاز" شناخته شده هستند و وقتی یکی به مرحله دیگری تبدیل می شود ، این یک مرحله انتقال است.

اکسیدهای نیکلات کمیاب ، که نیکلات نیز نامیده می شوند ، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته اند زیرا آنها یک انتقال فاز الکترونیکی را نشان می دهند ، که ممکن است در دستگاه های الکترونیکی آینده مورد بهره برداری قرار گیرد. این انتقال فاز خاص شامل تبدیل از حالت فلزی است که با کاهش دما ، برق را به حالت عایق الکتریکی منتقل می کند.

در پس این رفتار ، یک کنش متقابل قوی بین خصوصیات الکترونیکی این ترکیبات و ساختار "شبکه ای" آنها وجود دارد - آرایش منظم اتم ها که یک بلور را تشکیل می دهد. با این حال ، کشف ماهیت واقعی این انتقال فاز به فلز به عایق در نیکلات ها و توانایی کنترل آن برای دستگاه های الکترونیکی بالقوه ، نیاز به دانستن چگونگی ظهور و تکامل هر فاز مشخص در طول انتقال دارد.

اکنون دانشمندان EPFL و دانشگاه ژنو دو روش پیشرفته را برای دستیابی به نقشه برداری در مقیاس نانو از هر فاز الکترونیکی مشخص ترکیب کرده اند. این مطالعه که در مجله Nano Letters منتشر شد ، توسط دکتر دانکن الکساندر در دانشکده علوم پایه EPFL و گروه پروفسور ژان مارک تریسکون در دانشگاه ژنو انجام شد.

اولین نویسنده این مطالعه ، دکتر برنات موندت ، می گوید: "برای درک کامل فیزیک نمایش داده شده توسط مواد الکترونیکی جدید و کنترل آنها در دستگاه ها ، تکنیک های جدیدی برای توصیف در مقیاس اتمی مورد نیاز است. برای تعیین دقیق مناطق فلزی و عایق دستگاههای مهندسی اتمی ساخته شده از دو ترکیب نیکلاته با رزولوشن اتمی نزدیک. ما معتقدیم که روش ما به درک بهتر فیزیک این خانواده مهم از مواد الکترونیکی کمک خواهد کرد. "

محققان میکروسکوپ الکترونی عبوری (STEM) اصلاح شده با انحراف اصلاح شده را با طیف سنجی از دست دادن انرژی الکترون تک رنگ (EELS) ترکیب کردند.

در STEM ، تصاویر با اسکن یک پرتو الکترون ، متمرکز بر نقطه ای با اندازه حدود 1 آنگستروم ، در یک نمونه کاملاً نازک - در این مورد یک تکه نیکلات - و جمع آوری الکترون های منتقل شده و پراکنده با استفاده از ردیاب های حلقوی. اگرچه از لحاظ فنی طلبکارانه است ، اما این روش به محققان این امکان را می دهد تا ساختار شبکه بلوری ، ردیف اتمی به ردیف اتمی را دقیقاً تجسم کنند.

برای روش دوم ، EELS ، الکترونهایی که از سوراخ مرکزی ردیاب حلقوی عبور می کنند جمع می شوند. برخی از این الکترونها قبلاً به دلیل برهم کنش با اتمهای Ni از کریستال نیکلاته مقداری انرژی از دست داده اند. با اندازه گیری نحوه تغییر این اختلاف انرژی ، می توان حالت فلزی یا عایقی ترکیب نیکلات را تعیین کرد.

از آنجا که همه الکترونها به طور همزمان پراکنده و جمع شده اند ، محققان توانستند تغییرات حالت الکترونیکی را با موقعیت شبکه مرتبط در ترکیبات مختلف نیکلاته مرتبط کنند. این رویکرد به آنها امکان می دهد برای اولین بار از پیکربندی فضایی مناطق فلزی یا عایق بندی خود استفاده کنند و به وضوح مکانی بسیار بالایی در حدود 3/5 انگستروم (0.35 نانومتر) برسند. این روش ابزاری ارزشمند برای مطالعه و راهنمایی مهندسی اتم این مواد الکترونیکی جدید خواهد بود.

دانکن الکساندر می گوید: "جدیدترین میکروسکوپ های الکترونیکی توانایی شگفت انگیزی در اندازه گیری انواع خصوصیات فیزیکی مواد با تفکیک فضایی اتمی یا نانومتری به ما می دهد." "در اینجا ، با رساندن توانایی های میکروسکوپ EPFL's Titan Themis به محدودیت ها ، با اثبات اینکه می توانیم تغییرات در حالت الکترونیکی را از طریق یک ساختار فیلم نازک دقیقاً از دو نیکلت مختلف ساخته شده اندازه گیری کنیم ، یک گام مهیج به جلو در این حوزه برمی داریم. این رویکرد راههای جدیدی را برای تحقیق در مورد فیزیک این ترکیبات نیکلاته باز می کند ، که باعث تحریک تحقیقات در سراسر جهان شده است. "

"ژان مارک تریسکون" می افزاید: "ترکیبی از مواد مصنوعی شگفت انگیز که انتقال فلز به مقره و میکروسکوپ الکترونی بسیار پیشرفته را نشان می دهد ، امکان بررسی دقیق بی سابقه ای از خصوصیات الکترونیکی آنها را فراهم کرده است" "به طور خاص ، در مقیاس اتمی مشخص شد که آیا ماده رسانا است یا عایق بندی - یک س importantال مهم برای شناخت بهتر این مواد که ممکن است در رویکردهای آینده محاسباتی استفاده شود."