2021-05-17
 
电子材料中的纳米映射相变:科学家结合了两种强大的尖端技术,揭示了将金属变成绝缘体的奇异相变背后的物理原理
2021年05月17日   阅读量:722

EPFL和日内瓦大学的科学家结合了两种强大的前沿技术,以揭示将金属变成绝缘体的奇异相变背后的物理原理。他们研究的材料是稀土镍酸盐,这对于创新电子学的新方法非常感兴趣。


“相变”是物理科学中的中心现象中国机械网okmao.com。尽管听起来有些技术问题,但实际上它们是我们每个人在日常生活中都会遇到的东西:冰融化成液态水,或者热水蒸发成蒸汽。固体,液体和气体是三个众所周知的“相”,当一个变成另一个时,即为相变。


稀土镍酸盐氧化物(也称为镍酸盐)已引起研究人员的极大兴趣,因为它们显示出电子相变,可在未来的电子设备中加以利用。这种特定的相变包括随着温度下降从导电的金属状态转变为电绝缘状态。


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这些行为的背后是这些化合物的电子特性与其“晶格”结构之间的强相互作用-形成晶体的原子的有序排列。然而,要揭示镍酸盐中这种金属到绝缘体相变的真实性质,并能够控制其用于潜在的电子设备,就需要知道每个特征相如何在整个过渡过程中出现和演化。


现在,来自EPFL和日内瓦大学的科学家已经结合了两种最先进的技术,以实现每个不同电子相的纳米级绘图。这项研究发表在《纳米快报》上,该研究由EPFL基础科学学院的Duncan Alexander博士和日内瓦大学的Jean-Marc Triscone教授小组领导。


该研究的第一作者Bernat Mundet博士说:“为了充分理解新型电子材料显示的物理并将其控制在设备中,需要新的原子级表征技术。在这方面,我们首次能够可以精确确定由两种具有接近原子分辨率的镍酸盐化合物制成的原子工程设备的金属和绝缘区域。我们相信,我们的方法将有助于更好地理解这一重要电子材料系列的物理原理。”


研究人员将像差校正扫描透射电子显微镜(STEM)与单色电子能量损失谱(EELS)结合在一起。


在STEM中,通过在足够薄的样本(在这种情况下是一小片镍酸盐)上扫描一束聚焦在大约1埃大小的点上的电子束,并收集透射和散射的电子来形成图像。环形探测器。尽管在技术上要求很高,但该技术允许研究人员精确地可视化晶体的晶格结构,一个原子行一个原子行。


对于第二种技术EELS,通过环形检测器中心孔的那些电子被收集起来。这些电子中的一些由于与镍酸盐晶体的Ni原子相互作用而先前损失了一些能量。通过测量能量差如何变化,我们可以确定镍酸盐化合物的金属或绝缘状态。


由于所有电子同时被散射和收集,因此研究人员能够将电子态的变化与不同镍酸盐化合物中相关的晶格位置相关联。这种方法使他们第一次可以绘制其金属或绝缘区域的空间配置图,达到约3.5埃(0.35纳米)的非常高的空间分辨率。该技术将成为研究和指导这些新型电子材料的原子工程学的宝贵工具。


邓肯·亚历山大说:“最新的电子显微镜使我们能够以原子或纳米级的空间分辨率来测量各种材料的物理性质,这一惊人的能力。” “在这里,通过将EPFL的Titan Themis显微镜的功能推到极限,我们证明了我们可以测量由两种不同镍酸盐精确制成的薄膜结构中电子态的变化,从而在这一领域迈出了令人振奋的一步。这种方法为研究这些含镍化合物的物理性质开辟了新途径,这激发了全世界的研究兴趣。”


Jean-Marc Triscone补充说:“惊人的人造材料具有从金属到绝缘体的过渡以及非常先进的电子显微镜的结合,可以对它们的电子特性进行前所未有的详细研究。” “特别是,它在原子尺度上揭示了材料是导电的还是绝缘的-这是一个重要的问题,可以更好地理解这些可能在未来的计算方法中使用的材料。”



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