康涅狄格州大學的研究人員在《美國國家科學院院刊》上發表報告稱，以一種從未打算使用的方式使用一種熟悉的工具，為探索材料開闢了一種全新的方法。他們的具體發現可能會在某一天創造出更節能的計算機芯片，但這項新技術本身可能會在更廣泛的領域開闢新發現。原子力顯微鏡(AFM)拖動一個超鋒利的尖端穿過材料，非常接近但從未觸及表面。尖端可以感覺到表面的位置，檢測材料產生的電磁力。通過有條不紊地來回傳遞，研究人員可以繪製出一種材料的表面屬性，就像測量員有條不紊地在一塊土地上踱步以繪製該領土的地圖一樣。原子力顯微鏡可以在比一粒鹽小几千倍的尺度上描繪出一種材料的孔、突起和特性。
博科園-科學科普：原子力顯微鏡AFMs被設計用來研究表面，大多數情況下，使用者會盡量避免用刀尖撞擊材料，因為這可能會損壞材料的表面，但有時也會發生。幾年前研究生Yasemin Kutes和博士後Justin Luria在材料科學與工程教授Brian Huey的實驗室研究太陽能電池，無意中挖到了他們的樣本。起初，他們認為這是一個令人惱火的錯誤，但當庫特斯將AFM的尖端深深插入她無意中挖出的溝裡時，他們確實注意到這種材料的性質看起來有所不同。庫特斯和羅瑞亞並沒有追究，但另一名研究生詹姆斯·史蒂芬斯(James Steffes)受到啟發，更仔細地研究了這個想法。他想知道，如果故意像鑿子一樣使用AFM的尖端，然後挖進一種材料，會發生什麼？
它能不能一層一層地描繪出材料的電性和磁性，就像它在二維空間裡描繪表面那樣，繪製出材料的三維圖像？材料內部的性質會有什麼不同嗎？Steffes、Huey和同事在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上發表報告稱，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——它對磁場有響應，但總體上不表現出南北磁極——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。每個區域就像一組電池，它們的正極都朝同一個方向排列，域兩側的集群將指向另一個方向。
BiFeO3/SrRuO3/DyScO3薄膜異質結構的TAFM，圖片：Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). 10.1073/pnas.1806074116
它們對計算機內存非常有價值，因為計算機可以翻轉域，在材料上“書寫”，使用磁場或電場。當材料科學家在一塊鉍鐵氧體上讀寫信息時，通常只能看到表面發生了什麼。但是他們很想知道在地表以下發生了什麼——如果能理解這一點，就有可能將這種材料設計成比現在的計算機芯片運行速度更快、耗能更少的更高效的計算機芯片。這將對整個社會的能源消耗產生巨大的影響——目前，美國5%的電力消耗都用在了運行中的電腦上。為了找到答案，Steffes、Huey和團隊成員使用AFM技巧，小心翼翼地挖穿了一層鉍鐵氧體薄膜，並一塊一塊地繪製出內部的地圖。發現可以將各個域一直映射到下面，暴露出在表面上並不總是明顯的模式和屬性。有時一個域縮小，直到消失或分裂成y形，或與另一個域合併。以前從來沒有人能用這種方法看到這種材料的內部。
這很有啟發性，就像你以前只能看到二維x光的時候，卻只能看到骨頭的三維CT掃描。在全球範圍內，大約已經安裝了3萬個afm。其中很大一部分人將在2019年嘗試用AFM進行3d繪圖，因為意識到一直在探索表面。他還認為，如果3-D映射技術能夠應用於他們的材料，更多的實驗室將會購買AFMs，一些顯微鏡製造商將開始專門設計3-D掃描的AFMs。英特爾、村田和其他地方的研究人員也對他們在尋找製造下一代計算機芯片新材料時發現的鉍鐵氧體感興趣。與此同時，休伊團隊正在利用原子力顯微鏡挖掘各種材料，從混凝土到骨骼，再到許多計算機部件。通過與學術和企業合作伙伴的合作，可以利用我們的新見解來了解如何更好地設計這些材料，以減少能源消耗，優化它們的性能，提高它們的可靠性和壽命——這些都是材料科學家每天努力做的事情。
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