在过去的几十年中，理论材料设计和实验合成取得了进展，在功能材料的开发中发挥了关键作用，可用于下一代技术。然而，最终合成科学的目标仍有待实现，以便将原子定位在物质的特定位置。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中, Changhee Sohn 和和韩国材料科学和纳米结构物理学的研究人员开发了一种独特的方法，通过应变工程在复合材料的特定晶体位置注入元素。该团队展示了一种利用应变人工操纵原子位置以合成新材料和结构的强大方法。结果适用于广泛的系统，为功能材料提供了新的途径。
利用应变开发新材料。
外延应变源于薄膜和衬底之间的晶格失配，以操纵材料的重要物理特性。他们还彻底改变了行业，以开发快速的计算处理器。铁电性及其在超高密度存储器方面的潜力显示了应变工程在未来技术中的重要性。在最近的一项理论预测中，研究人员提出了一种未报道的应变作用，通过在材料的晶胞内以特定于位点的方式插入和重新定位单个原子来开发新材料。使用这种应变驱动的方法，Sohn 等人。组合层状钙钛矿材料，如 Bi 4 Ti 3 O 12(缩写为 BiT)和具有通式 ABO 3 的简单钙钛矿。BiT 是一种独特的铁电材料，具有夹在两个 BiO 2 -层之间的三个氧八面体亚层。在单独的合成方法中，Sohn 等人。通过应变在亚基水平形成复合 Bi 5 Ti 3 FeO 12 (BiTF) 并在亚基水平控制插入的铁 (Fe) 离子。在实验过程中，他们使用脉冲激光沉积与两个目标 Bi 4 Ti 3 O 12(缩写为 BiT)和铋铁氧体(BiFeO 3)，缩写为 BFO，通过将 BFO 与层状 BiT 合金化来演示复合材料的生长控制。在实验过程中，他们在钛酸锶(SrTiO 3 ) 基底上以亚晶胞水平烧蚀材料，以精确控制其成分。使用扫描透射电子显微镜(STEM)，该团队可视化附加八面体层在辅助 BiO 2 -层之间的完全插入。他们获得了在钛酸锶上生长的 BiT 和 BiTF 薄膜的高角度环形暗场(HAADF) 图像底物，其中明亮和强烈的信号来自重铋 (Bi) 离子，较弱的信号来自较轻的钛和铁离子。Sohn 等人使用双目标方法。还合成了具有不同方向和应变大小的各种基板上的外延 BiTF 薄膜。
实验观察
为了在原子尺度上了解 Fe 离子在材料中的应变依赖性分布，Sohn 等人。结合 STEM(扫描透射电子显微镜)进行能量色散 X 射线光谱绘图) 在 BiTF 薄膜上。该团队使用原子分辨能量色散 X 射线 (EDX) 映射，揭示了材料的独特演变。应变作用与理论预测的极好一致性支持其在控制膜中 Fe 离子分布方面的作用。科学家们还热衷于了解将 Fe 离子插入和定位到 BiT 中如何影响薄膜的宏观特性。为了实现这一目标，他们首先专注于对理解基本层面的电子结构和技术应用很重要的光学特性。插入 BFO 块后，科学家观察到带隙减小。索恩等人。还观察了 BiTF 膜的铁电性与铁离子的阳离子分布之间的关系。此后，使用开尔文探针力显微镜(cKPFM)，他们检查了薄膜的压电特性，注意到基板对横向和垂直铁电性的强烈依赖性。
外表
通过这种方式，Changhee Sohn 及其同事展示了独特的应变驱动合成范式，允许研究人员插入原子并自主地将它们引导到物质的特定晶体位置。该方法不同于众所周知的合成方法，例如传统的异质结构工程或两种不同材料的简单合金化。原子位置的应变驱动人工控制可以促进材料科学和凝聚态物理学的研究，以开发多功能复合系统。基于这种方法，Sohn 等人。期望合成多铁性材料并通过阳离子分布控制其磁性基态。