Исследователи используют рентгеновскую голографию для преобразования изолятора-металла зонда

]

Рентгеновская голограмма VO2 во время фазового перехода. Изображение: MBI.

Электронные устройства работают, контролируя поток электронов внутри цепей, и это достигается с использованием подходящих материалов.

Функция изоляторов заключается в предотвращении проводимости, в то время как металлы должны позволить электронам свободно течь. Как правило, электрические свойства материала определяются при разработке материала и не могут быть изменены впоследствии без изменения материала.

Тем не менее, есть материалы, которые показывают как поведение изолятора, так и металла по их температуре. Эти материалы способны переключать их свойства и, следовательно, могут привести к появлению нового поколения электронных устройств.

Одним из таких материалов является двуокись ванадия (VO 2 ). При температуре чуть выше комнатной температуры этот материал может перейти от изолирующей фазы к металлической фазе; которая уже используется для датчиков. И наоборот, уже более 50 лет происходит серьезная научная дискуссия о том, почему свойства этого материала значительно меняются.

Основная проблема в понимании того, как и почему происходит это изменение, объясняется процессом, называемым разделением фаз. Переход от изолятора к металлической фазе аналогичен переходу льда в жидкость в воде.

Когда лед тает, твердая, а также жидкая вода может существовать вместе в отдельных регионах. Аналогичным образом, в VO 2 металлическая и изоляционная области материала могут сосуществовать одновременно во время перехода.

Однако в случае воды различные области обычно достаточно велики, чтобы наблюдать невооруженным глазом, в то время как в отношении VO 2 это разделение происходит в масштабе длины нанометров и, следовательно, это трудно понять. Поэтому было трудно понять, определяются ли реальные свойства каждой фазы или комбинация обеих фаз.

Хотя рентгеновские лучи служат важным инструментом для интерпретации свойств материалов, они не могут быть легко использованы для решения этой проблемы, поскольку для этого требуется нанометровое пространственное разрешение в сочетании со спектроскопической чувствительностью, чтобы различать разные фазы изображения .

В новом исследовании, представленном в Nano Letters, исследовательская группа из Института Макс Борна и Технического университета в Берлине, Университет Вандербильта в Теннесси и Институт фотонных наук и ALBA в Барселоне успешно использовали резонансную мягкую рентгеновскую голографию для изучения фазовых переходов, происходящих в тонких пленках VO 2 .

Этот метод визуализации может отслеживать и изображать структурные и электронные изменения, которые происходят в этом материале, с пространственным разрешением примерно 40 нанометров (т.е. в 500 000 раз меньше стандартного кубика льда в напитке).

Исследователи исследовали крошечные кристаллы кристалла двуокиси ванадия и обнаружили, что дефекты в материале сыграли важную роль в инициировании перехода от изолятора к металлической фазе, но более значительно они отметили третье промежуточное состояние, также образованное во время фазового перехода .

В то время как некоторые районы непосредственно менялись от изолирующей к металлической фазе, другие превращались в другое различное изолирующее состояние до того, как стали более металлическими при более интенсивных температурах, с точной траекторией, принятой на основе дефектов, существующих в материале

Таким образом, сосуществования трех фаз в то же время резко изменили представление, основанное на более ранних исследованиях, в которых при трансформации предполагалось наличие только двух состояний.

. В дальнейшем исследователи хотят применить ультракороткие лазерные импульсы для инициирования фазового перехода и увидеть динамику перехода.

Поскольку материал, естественно, хочет сформировать это лоскутное одеяние разных доменов во время перехода от изолятора к металлу, нам нужно наблюдать, как этот процесс разворачивается вовремя, чтобы понять и лучше контролировать его в будущем ».

проф. Стефан Эйзебитт, Институт Макс Борн

Критически важными для этого являются уникальные возможности, которые рентгеновская голография приносит для анализа материалов на наноуровне. Рентгеновская голография является одним из немногих методов, которые используют ультракороткие импульсы и когерентность рентгеновских лазеров, таких как недавно открывшийся европейский рентгеновский свободный электронный лазер (XFEL). Этот метод может фактически отображать динамику сверхбыстрых процессов, которые происходят в течение пико- и фемтосекунд в твердом материале.

Нано-пэчворк различных доменов, образующихся при различных температурах (в градусах Кельвина) при фазовом переходе, полученных рядами рентгеновских голограмм.

На изображении выше различные домены и дефекты в кристаллитах VO2 показаны в ложном цвете, чтобы представить их различные свойства. красный = дефектная область, черный = изолирующая фаза M1, синяя = вновь наблюдаемая изолирующая фаза M2, зеленая = металлическая R-фаза. Шкала на 500 нанометров составляет около 1/100 диаметра человеческого волоса.

Мы очень рады перспективе записи фильма о том, как происходит фазовый переход, отражающий взаимодействие атомных ядер и электронов в разных областях образца.

. Помимо диоксида ванадия этот подход поможет нам основательно понять свойства многих интригующих материалов, включая, например, высокотемпературные сверхпроводники »

проф. Саймон Уолл, Институт фотонных наук, Барселона .

Источник: http://www.fv-berlin.de/

Source link