El uso de una herramienta familiar de una manera que nunca fue pensada para usar abre un método completamente nuevo para explorar materiales, informan los investigadores de UConn Actas de las Academias Nacionales de Ciencias . Sus hallazgos específicos podrían algún día crear chips de computadora mucho más eficientes energéticamente, pero la nueva técnica en sí podría abrir nuevos descubrimientos en una amplia gama de cosas.
Los microscopios de fuerza atómica AFM arrastran una punta ultra afilada a través de los materiales, muy cerca pero nunca tocando la superficie. La punta puede sentir dónde está la superficie, detectando las fuerzas eléctricas y magnéticas producidas por el material. Pasándola metódicamenteA continuación, un investigador puede trazar las propiedades de la superficie de un material de la misma manera que un topógrafo recorre metódicamente un terreno para mapear el territorio. Los AFM pueden dar un mapa de los agujeros, protuberancias y propiedades de un material a una escala de miles deveces más pequeño que un grano de sal.
Los AFM están diseñados para investigar superficies. La mayoría de las veces, el usuario se esfuerza mucho por no golpear el material con la punta, ya que eso podría dañar la superficie del material. Pero a veces sucede. Hace unos años, se graduóYasemin Kutes y Justin Luria, un estudiante de postdoctorado que estudian células solares en el laboratorio del profesor de ciencias de los materiales e ingeniería Brian Huey, cavaron accidentalmente en su muestra. Al principio, al pensar que era un error irritante, notaron que las propiedades del material se veían diferentes cuandoKutes clavó la punta del AFM en la zanja que había cavado accidentalmente.
Kutes y Luria no lo persiguieron. Pero otro estudiante graduado, James Steffes, se inspiró para mirar más de cerca la idea. ¿Qué sucedería si usaras intencionalmente la punta de un AFM como un cincel y cavaras en un material?, se preguntó: ¿sería capaz de mapear las propiedades eléctricas y magnéticas capa por capa, creando una imagen 3D de las propiedades del material de la misma manera que mapeó la superficie en 2D? ¿Y las propiedades se verían diferentes en el interior de un material??
Las respuestas, Steffes, Huey, y sus colegas informan en PNAS, son sí y sí. Excavaron en una muestra de ferrita de bismuto BiFeO3, que es un multiferroico a temperatura ambiente. Los multiferroicos son materiales que pueden tener múltiples componentes eléctricos o magnéticos.propiedades al mismo tiempo. Por ejemplo, la ferrita de bismuto es antiferromagnética responde a los campos magnéticos, pero en general no muestra un polo magnético norte o sur y ferroeléctrico, lo que significa que tiene polarización eléctrica conmutable. Tales materiales ferroeléctricos songeneralmente compuesto de pequeñas secciones, llamadas dominios. Cada dominio es como un grupo de baterías que tienen sus terminales positivos alineados en la misma dirección. Los grupos a cada lado de ese dominio se apuntarán en otra dirección. Son muy valiosos para la computadoramemoria, porque la computadora puede voltear los dominios, 'escribir' en el material, usando campos magnéticos o eléctricos.
Cuando un científico de materiales lee o escribe información sobre una pieza de ferrita de bismuto, normalmente solo puede ver lo que sucede en la superficie. Pero les encantaría saber qué sucede debajo de la superficie; si eso se entendiera, podría ser posiblediseñar el material en chips informáticos más eficientes que funcionen más rápido y consuman menos energía que los disponibles en la actualidad. Eso podría marcar una gran diferencia en el consumo general de energía de la sociedad: ya, el 5 por ciento de toda la electricidad consumida en los EE. UU..
Para averiguarlo, Steffes, Huey y el resto del equipo utilizaron una punta de AFM para cavar meticulosamente una película de ferrita de bismuto y trazar el interior, pieza por pieza. Descubrieron que podían mapear los dominios individuales todo el caminohacia abajo, exponiendo patrones y propiedades que no siempre eran evidentes en la superficie. A veces un dominio se estrechaba hasta desaparecer o dividirse en forma de Y, o fusionarse con otro dominio. Nadie había podido ver el interior del material en estemucho antes. Era revelador, como mirar una tomografía computarizada en 3D de un hueso cuando solo había sido capaz de leer radiografías 2D antes.
"En todo el mundo, hay algo así como 30,000 AFM ya instalados. Una gran fracción de ellos probará [mapeo 3D con] AFM en 2019, ya que nuestra comunidad se da cuenta de que han estado rascando la superficie todo este tiempo", predice HueyTambién cree que más laboratorios comprarán AFM ahora si se demuestra que el mapeo 3D funciona para sus materiales, y algunos fabricantes de microscopios comenzarán a diseñar AFM específicamente para escaneo 3D.
Steffes se graduó posteriormente de UConn con su doctorado y ahora trabaja en GlobalFoundries, un fabricante de chips de computadora. Los investigadores de Intel, muRata y otros lugares también están intrigados con lo que el grupo descubrió sobre la ferrita de bismuto, ya que buscan nuevosmateriales para hacer la próxima generación de chips de computadora. Mientras tanto, el equipo de Huey está utilizando AFM para excavar en todo tipo de materiales, desde concreto hasta hueso y una gran cantidad de componentes de computadora.
"Al trabajar con socios académicos y corporativos, podemos usar nuestra nueva información para comprender cómo diseñar mejor estos materiales para usar menos energía, optimizar su rendimiento y mejorar su confiabilidad y vida útil; esos son ejemplos de los materiales que los científicos se esfuerzan por conseguirhacer todos los días ", dice Huey.
Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation, UConn y la School of Engineering.
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Materiales proporcionados por Universidad de Connecticut . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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