Ulepszona technika mikroskopowa ujawnia skrywane wcześniej magnetyczne tajniki inteligentnych materiałów
Materiały inteligentne lub funkcjonalne, będące najnowszą rewolucją w dziedzinie materiałoznawstwa, mogą dostrajać swoje właściwości fizyczne lub chemiczne w zależności od zmian zachodzących w ich otoczeniu. Są one podstawą nowoczesnego społeczeństwa, wzbogacając wszystkie nasze nowoczesne urządzenia, od smartfonów i komputerów po satelity i samochody. Do tej pory przy produkcji kolejnych generacji coraz mniejszych, wydajniejszych i bardziej zwartych układów scalonych producenci urządzeń elektronicznych korzystali ze słynnego prawa Moore’a. Krzemowe układy scalone są podstawą niemal wszystkich urządzeń w naszym cyfrowym świecie. Jednak wydajność urządzeń opartych na krzemie wkrótce sięgnie swych granic. „Nowe klasy materiałów funkcjonalnych są postrzegane jako sposób na zastąpienie krzemu, gdy ten nie będzie już w stanie sprostać wymaganiom coraz mniejszych układów scalonych”, zauważa Magnus Nord, profesor nadzwyczajny na wydziale fizyki Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii. „Materiały magnetyczne są ważną klasą materiałów, które wykazują szereg inteligentnych właściwości. Ich reakcja magnetyczna na zewnętrzne pole magnetyczne sprawia, że nadają się one do różnych zastosowań, w tym do przechowywania danych, komunikacji i czujników. Aby zaprojektować takie urządzenia z często złożonych materiałów magnetycznych, konieczne jest zrozumienie tego, jak działają w nanoskali. W nanoskali wszystko jest inne. Wówczas fascynujący świat mechaniki kwantowej odkrywa, na co go stać”, wyjaśnia Nord.
Usuwanie przeszkód stojących na drodze do zobrazowania właściwości funkcjonalnych w nanoskali
Brak odpowiednich technik eksperymentalnych do badania intrygujących właściwości magnetycznych w nanoskali uniemożliwia pełne wykorzystanie potencjału materiałów magnetycznych. W kontekście projektu MAGIMOX, realizowanego przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, prof. Nord pracował na Uniwersytecie w Antwerpii nad rozszerzeniem możliwości techniki skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ang. scanning transmission electron microscopy, STEM) na wcześniej niewykorzystywane segmenty. „STEM jest dającą duże możliwości techniką obrazowania, która umożliwia staranne odwzorowanie pojedynczych kolumn atomowych w materiale. Technika ta nie nadaje się jednak do badania właściwości funkcjonalnych materiałów, a raczej ich struktury”, zauważa Nord. „Chociaż pikselowe detektory STEM(odnośnik otworzy się w nowym oknie) umożliwiły nam bezpośrednie obrazowanie pól magnetycznych w materiałach, wciąż pozostawiają one wiele do życzenia, przede wszystkim w zakresie zdolności do działania praktycznie na większości instrumentów STEM i w całej gamie materiałów”. Zespół projektu zoptymalizował szereg algorytmów przetwarzania danych do badania magnetycznych przemian fazowych w cienkich warstwach tlenków perowskitowych, specjalnej klasie materiałów, które charakteryzują się dużą różnorodnością właściwości użytkowych. Wszystkie aktualizacje kodu zawarto w pyxem(odnośnik otworzy się w nowym oknie), otwartej bibliotece Python. Sporo pracy włożono również w kalibrację i zestrojenie STEM. Optymalizację ich zestrojenia uważa się za wysoce konieczną, ponieważ główny obiektyw jest wyłączany podczas pracy, co w znacznym stopniu wpływa na optykę elektronową systemu mikroskopowego. Poza badaniem właściwości magnetycznych cienkowarstwowego tlenku perowskitowego La0.7Sr0.3MnO3 naukowcy poczynili duże postępy w badaniach strukturalnych nad przemianami fazowymi w innej klasie łatwo dostępnych funkcjonalnych materiałów tlenkowych, które poddano procesowi ogrzewania. Udoskonalone algorytmy przetwarzania danych umożliwiły badanie strukturalnych przemian fazowych na szerszym zakresie instrumentów STEM i przy znacznie większych polach widzenia. Materiały inteligentne dopiero zaczynają wykraczać poza sferę laboratorium, ale już teraz mają wiele potencjalnych zastosowań poza swoją podstawową dziedziną, jaką jest elektronika, np. w siłownikach, konstrukcjach lotniczych i systemach dostarczania leków. Odkrycie ich działania w nanoskali mogłoby zapoczątkować innowacje we wszystkich rodzajach takich zastosowań.
