Detectie van krakend geluid op basis van AFM-nano-indentatie. a Er wordt gedurende een lange periode (uren) een constante kracht uitgeoefend, doorgaans in het nN-bereik en afhankelijk van de materiaalhardheid, via een AFM-sonde en oppervlaktebeweging wordt gedetecteerd op de grens van de gevoeligheid van de AFM, meestal in de sub-Å tot pm bereik, afhankelijk van de specifieke opstelling. Individuele kenmerken op nanoschaal, zoals domeinmuren in ferro-elektriciteit, kunnen vooraf worden geselecteerd door andere op AFM gebaseerde beeldvormingstechnieken die goed zijn gedefinieerd in onze huidige rapporten. b Voorbeeld van een geregistreerde lawineverspreiding onder de AFM-sonde. Credit: Natuurcommunicatie (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40665-4
Een recent door de UNSW geleid artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie presenteert een opwindende nieuwe manier om naar lawines van atomen in kristallen te luisteren.
De beweging van atomen op nanoschaal wanneer materialen vervormen, leidt tot geluidsemissie. Dit zogenaamde knetterende geluid is een schaalinvariant fenomeen dat in verschillende materiële systemen wordt aangetroffen als reactie op externe stimuli zoals kracht of externe velden.
Schokkerige materiële bewegingen in de vorm van lawines kunnen vele ordes van grootte bestrijken en universele schaalregels volgen die worden beschreven door machtswetten. Het concept werd oorspronkelijk bestudeerd als Barkhausen-ruis in magnetische materialen en wordt nu gebruikt op uiteenlopende gebieden, van aardbevingsonderzoek en monitoring van bouwmaterialen tot fundamenteel onderzoek met faseovergangen en neurale netwerken.
De nieuwe methode voor metingen van knettergeluid op nanoschaal, ontwikkeld door onderzoekers van UNSW en de Universiteit van Cambridge, is gebaseerd op SPM-nano-indentatie.
“Onze methode stelt ons in staat het knetterende geluid van individuele kenmerken op nanoschaal in materialen te bestuderen, zoals domeinmuren in ferro-elektrische materialen”, zegt hoofdauteur Dr. Cam Phu Nguyen. “De soorten atoomlawines verschillen rond deze structuren wanneer het materiaal vervormt.”
Een van de meest intrigerende aspecten van de methode is het feit dat individuele kenmerken op nanoschaal kunnen worden geïdentificeerd door het materiaaloppervlak in beeld te brengen voordat het wordt ingedeukt. Deze differentiatie maakt nieuwe onderzoeken mogelijk die voorheen niet mogelijk waren.
Bij een eerste toepassing van de nieuwe technologie hebben de UNSW-onderzoekers de methode gebruikt om discontinuïteiten in geordende materialen, domeinmuren genoemd, te onderzoeken.
“Domeinmuren vormen al een tijdje de focus van ons onderzoek. Ze zijn zeer aantrekkelijk als bouwstenen voor elektronica uit de post-Moore-wet”, zegt auteur prof. Jan Seidel, eveneens bij UNSW. “We laten zien dat kritische exponenten voor lawines op deze nanoschaalkenmerken worden gewijzigd, wat leidt tot een onderdrukking van gemengde kriticiteit, die anders aanwezig is in domeinen.”
Vanuit het perspectief van toepassingen en nieuwe materiaalfunctionaliteiten biedt knetterende ruismicroscopie een nieuwe mogelijkheid voor het genereren van geavanceerde kennis over dergelijke kenmerken op nanoschaal. De studie bespreekt experimentele aspecten van de methode en biedt een perspectief op toekomstige onderzoeksrichtingen en toepassingen.
Meer informatie:
Cam-Phu Thi Nguyen et al, Knetterende ruismicroscopie, Natuurcommunicatie (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40665-4
Tijdschriftinformatie:
Natuurcommunicatie
Geleverd door ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET)
