當魔術師突然從放滿盤子和眼鏡的桌子上扯下桌布時，觀眾開始懷疑舞臺上是否很快就會散落一地碎玻璃。直到現在，科學家們都面臨著類似的困境，他們使用特殊的電子氣泡來創(chuàng)造下一代柔性微電子和能量存儲設備。
美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室的科學家們發(fā)現了一種新方法，可以通過從特定底層材料或基板上剝離含有電氣泡的異質結構薄膜，同時保留它們，來實現原子級版本的桌布技巧。完好無損。這一發(fā)現可能使我們更接近于依賴這些不尋常且脆弱的結構的大量應用程序。
“你可以把它想象成試圖從地基上拆除一座房子。通常，您會認為房子會倒塌，但我們發(fā)現它保留了所有財產。”– Saidur Bakaul，阿貢材料科學家
“氣泡非常脆弱，最初需要特殊的底層材料，稱為基板，以及特定條件才能在其中生長薄膜，”阿貢材料科學家賽杜爾·巴考爾說。“有許多我們感興趣的材料，這些氣泡可能非常有用，比如塑料。但是，我們無法直接在這些材料上種植它們。我們的研究是使泡沫成為可能的第一步。”
在具有交替電特性的三層超薄結構中發(fā)現了電氣泡：鐵電，然后是電介質，然后又是鐵電。這種多層結構中的氣泡由特殊排列的偶極子或孿生電荷構成。這些偶極子的方向基于材料中的局部應變和表面上的電荷，這導致偶極子尋找其相對最低的能量狀態(tài)。最終，電氣泡(氣泡域)形成，但只有在滿足某些條件時才會形成。即使是很小的力，它們也很容易變形。
在實驗中，Bakaul 在新南威爾士大學的同事首先在鈦酸鍶襯底上的超薄異質結構膜中生長氣泡，這是最容易在其上產生氣泡的材料之一。然后，Bakaul 面臨著從襯底去除異質結構同時保留氣泡的挑戰(zhàn)。“你可以把它想象成試圖從地基上拆除一座房子，”他說。“通常情況下，你會認為房子會倒塌，但我們發(fā)現它保留了所有財產。”
氣泡域很小。它們的半徑只有大約 4 納米——與人類 DNA 鏈一樣寬。因此，它們很難被看到。在 Argonne 的材料科學部門，具有傅立葉變換分析的先進掃描探針顯微鏡技術使科學家們不僅可以看到它們，還可以量化它們在獨立薄膜中的特性。
為了確定氣泡域保持完整，Bakaul 通過兩種顯微鏡技術測量了它們的電子(電容)和壓電特性：掃描微波阻抗顯微鏡和壓電響應力顯微鏡。如果氣泡破裂，在施加電壓下電容會發(fā)生變化，但 Bakaul 發(fā)現它在相當高的電壓下保持相對穩(wěn)定。
這些實驗驗證了 Bakaul 和他的學生通過將原子模擬與電路理論相結合而開發(fā)的理論分析中獲得的電容數值估計。“實驗和模擬的結合最終證明，即使從原始基板上移除，這些氣泡也能夠存活。這是我們長期以來一直希望實現的目標，”巴考爾說。
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