博科公園-科普:原子力顯微鏡AFMs是用來研究表面的。在大多數情況下，用戶會盡量避免用刀尖碰到材料，因為這可能會損壞材料的表面，但這種情況有時會發生。幾年前，研究生Yasemin Kutes和博士後Justin Luria在材料科學與工程教授Brian Huey的實驗室研究太陽能電池，他們偶然發現了他們的樣品。起初，他們認為這是壹個令人討厭的錯誤，但當庫茨將AFM的尖端深深插入她無意中挖的溝中時，他們確實註意到這種材料的屬性看起來不同。庫爾特和洛裏亞沒有繼續研究，但另壹名研究生詹姆斯·斯特菲斯受到啟發，更仔細地研究了這個想法。他想知道，如果妳故意把AFM的針尖像鑿子壹樣用，然後挖到壹個材料裏，會發生什麽？
能否像在二維空間中描繪表面壹樣，逐層描繪材料的電、磁性質，畫出材料的三維圖像？材料的性質會有什麽不同嗎？Steffes，Huey和他的同事在《PNAS國家科學院學報》上報告說，答案是肯定的。他們深入研究了鐵酸鉍(BiFeO3)樣品，這是壹種室溫多晶鐵。多元鐵氧體是壹種可以同時具有多種電或磁特性的材料。比如鐵酸鉍既有反鐵磁性——對磁場有反應，但壹般不會表現出南北磁極——又有鐵電性，這意味著它具有可切換的極化。這種鐵電材料通常由稱為疇的微小部分組成。每個區域就像壹組電池，它們的正極都是按同壹個方向排列的，域兩邊的簇會指向另壹個方向。
它們對於計算機存儲器來說非常有價值，因為計算機可以翻轉磁場，在材料上“書寫”，並使用磁場或電場。當材料科學家在壹塊鐵酸鉍上讀寫信息時，他們通常只能看到表面發生的事情。但他們真的很想知道在表面之下發生了什麽——如果他們能夠理解這壹點，就有可能將這種材料設計成壹種更高效的計算機芯片，比目前的計算機芯片運行更快，消耗更少的能量。這將對整個社會的能源消耗產生巨大影響——目前美國5%的用電量都花在了運行電腦上。為了找到答案，Steffes、Huey和團隊成員利用AFM技術小心翼翼地挖通了壹層鐵酸鉍薄膜，壹片壹片地畫出了內部地圖。人們發現，每個領域都可以壹路向下映射，暴露出表面上並不總是顯而易見的模式和屬性。有時，壹個域會縮小，直到消失或分裂成Y形，或與另壹個域合並。以前從來沒有人以這種方式看到過這種材料的內部。
這很有啟發性，就像以前妳只能看到二維x光，只能看到骨骼的三維CT掃描壹樣。全世界大約安裝了3萬臺afm。其中很大壹部分人會在2019嘗試使用AFM進行3d繪圖，因為他們意識到自己壹直在探索曲面。他還認為，如果三維繪圖技術可以應用於他們的材料，更多的實驗室將購買原子力顯微鏡，壹些顯微鏡制造商將開始設計三維掃描的原子力顯微鏡。來自英特爾、村田等地的研究人員也對他們在尋找制造下壹代計算機芯片的新材料時發現的鐵酸鉍感興趣。與此同時，休伊的團隊正在使用原子力顯微鏡挖掘各種材料，從混凝土到骨頭到許多計算機部件。通過與學術界和企業合作夥伴的合作，我們可以利用我們的新見解來理解如何更好地設計這些材料，從而降低能耗，優化它們的性能，提高它們的可靠性和壽命——這些都是材料科學家每天都在努力做的事情。
博科公園-科普|研究/來自:康涅狄格大學
參考期刊文獻:美國國家科學院院刊
DOI:10.1073/PNAS . 1806074116
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