康涅狄格州大學(xué)的研究人員在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上發(fā)表報(bào)告稱，以一種從未打算使用的方式使用一種熟悉的工具，為探索材料開辟了一種全新的方法。他們的具體發(fā)現(xiàn)可能會(huì)在某一天創(chuàng)造出更節(jié)能的計(jì)算機(jī)芯片，但這項(xiàng)新技術(shù)本身可能會(huì)在更廣泛的領(lǐng)域開辟新發(fā)現(xiàn)。原子力顯微鏡拖動(dòng)一個(gè)超鋒利的J端穿過(guò)材料，非常接近但從未觸及表面。J端可以感覺到表面的位置，檢測(cè)材料產(chǎn)生的電磁力。通過(guò)有條不紊地來(lái)回傳遞，研究人員可以繪制出一種材料的表面屬性，就像測(cè)量員有條不紊地在一塊土地上踱步以繪制該領(lǐng)土的地圖一樣。AFM原子力顯微鏡可以在比一粒鹽小幾千倍的尺度上描繪出一種材料的孔、突起和特性。
原子力顯微鏡被設(shè)計(jì)用來(lái)研究表面，大多數(shù)情況下，使用者會(huì)盡量避免用刀尖撞擊材料，因?yàn)檫@可能會(huì)損壞材料的表面，但有時(shí)也會(huì)發(fā)生。幾年前研究生Yasemin Kutes和博士后Justin Luria在材料科學(xué)與工程教授Brian Huey的實(shí)驗(yàn)室研究太陽(yáng)能電池，無(wú)意中挖到了他們的樣本。起初，他們認(rèn)為這是一個(gè)令人惱火的錯(cuò)誤，但當(dāng)庫(kù)特斯將AFM的J端深深插入她無(wú)意中挖出的溝里時(shí)，他們確實(shí)注意到這種材料的性質(zhì)看起來(lái)有所不同。庫(kù)特斯和羅瑞亞并沒有追究，但另一名研究生詹姆斯·史蒂芬斯(James Steffes)受到啟發(fā)，更仔細(xì)地研究了這個(gè)想法。他想知道，如果故意像鑿子一樣使用AFM原子力顯微鏡的J端，然后挖進(jìn)一種材料，會(huì)發(fā)生什么?
它能不能一層一層地描繪出材料的電性和磁性，就像它在二維空間里描繪表面那樣，繪制出材料的三維圖像?材料內(nèi)部的性質(zhì)會(huì)有什么不同嗎?Steffes、Huey和同事在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上發(fā)表報(bào)告稱，答案是肯定的。他們深入研究了鉍鐵氧體(BiFeO3)的樣品，這是一種室溫多鐵氧體。多鐵氧體是一種可以同時(shí)具有多種電或磁特性的材料。例如，鉍鐵氧體既具有反鐵磁性——它對(duì)磁場(chǎng)有響應(yīng)，但總體上不表現(xiàn)出南北磁極——又具有鐵電性，這意味著它具有可切換的電極化。這種鐵電材料通常由稱為疇的微小部分組成。每個(gè)區(qū)域就像一組電池，它們的正極都朝同一個(gè)方向排列，域兩側(cè)的集群將指向另一個(gè)方向。
它們對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存非常有價(jià)值，因?yàn)橛?jì)算機(jī)可以翻轉(zhuǎn)域，在材料上“書寫”，使用磁場(chǎng)或電場(chǎng)。當(dāng)材料科學(xué)家在一塊鉍鐵氧體上讀寫信息時(shí)，通常只能看到表面發(fā)生了什么。但是他們很想知道在地表以下發(fā)生了什么——如果能理解這一點(diǎn)，就有可能將這種材料設(shè)計(jì)成比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行速度更快、耗能更少的更高效的計(jì)算機(jī)芯片。這將對(duì)整個(gè)社會(huì)的能源消耗產(chǎn)生巨大的影響——目前，美國(guó)5%的電力消耗都用在了運(yùn)行中的電腦上。為了找到答案，Steffes、Huey和團(tuán)隊(duì)成員使用原子力顯微鏡技巧，小心翼翼地挖穿了一層鉍鐵氧體薄膜，并一塊一塊地繪制出內(nèi)部的地圖。發(fā)現(xiàn)可以將各個(gè)域一直映射到下面，暴露出在表面上并不總是明顯的模式和屬性。有時(shí)一個(gè)域縮小，直到消失或分裂成y形，或與另一個(gè)域合并。以前從來(lái)沒有人能用這種方法看到這種材料的內(nèi)部。
這很有啟發(fā)性，就像你以前只能看到二維x光的時(shí)候，卻只能看到骨頭的三維CT掃描。在全球范圍內(nèi)，大約已經(jīng)安裝了3萬(wàn)個(gè)afm。其中很大一部分人將在2019年嘗試用AFM原子力顯微鏡進(jìn)行3d繪圖，因?yàn)橐庾R(shí)到一直在探索表面。他還認(rèn)為，如果3-D映射技術(shù)能夠應(yīng)用于他們的材料，更多的實(shí)驗(yàn)室將會(huì)購(gòu)買AFMs，一些顯微鏡制造商將開始專門設(shè)計(jì)3-D掃描的AFMs。英特爾、村田和其他地方的研究人員也對(duì)他們?cè)趯ふ抑圃煜乱淮?jì)算機(jī)芯片新材料時(shí)發(fā)現(xiàn)的鉍鐵氧體感興趣。與此同時(shí)，休伊團(tuán)隊(duì)正在利用原子力顯微鏡挖掘各種材料，從混凝土到骨骼，再到許多計(jì)算機(jī)部件。通過(guò)與學(xué)術(shù)和企業(yè)合作伙伴的合作，可以利用我們的新見解來(lái)了解如何更好地設(shè)計(jì)這些材料，以減少能源消耗，優(yōu)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(xué)家每天努力做的事情。