Chemiker sollen ausgezeichnete Köche sein. Besonders aus organischen Stoffen. In der Tat, eine Prise davon, dieses kleine Ding, und das Gericht ist fertig. Aber Physiker wissen, wie man kocht, und sogar anorganische Verbindungen.
Yulia Terekhova, eine Mitarbeiterin der Abteilung für Materialwissenschaften für Halbleiter und Dielektrika von NITU MISiS, vollbrachte ein kleines wissenschaftliches Wunder: Sie verbesserte die Fähigkeiten der genauesten Instrumente der Welt: Rastersondenmikroskope. Jetzt können sie verwendet werden, um die Oberfläche von Substanzen auf atomarer Ebene bei bisher unerreichbaren Temperaturen zu untersuchen. Bisher kann man nur raten, wozu dies wissenschaftlich führen wird: Da niemand gesehen hat, was unter diesen Bedingungen mit Oberflächen passiert, ist das Ergebnis immer noch unvorhersehbar. Eines ist jedoch sicher: Um herauszufinden, welche Geheimnisse die erhitzte Oberfläche selbst der berühmtesten Substanzen birgt, müssen alle Labors der Welt das "Herz" eines Rastersondenmikroskops verändern - eine piezoelektrische Platte, dank der sich die Rasternadel des Geräts bewegt.
Rastersondenmikroskope (SPMs) sind wissenschaftliche Forschungsgeräte, mit denen Objekte im Nanobereich nicht nur untersucht, sondern auch mit hoher Genauigkeit manipuliert werden können. Das Funktionsprinzip solcher Mikroskope basiert auf der "Untersuchung" der Oberfläche der untersuchten Probe mit einer Miniaturnadel - einem Cantilever. Sie müssen eine solche Nadel sehr genau über Entfernungen in der Größenordnung von einigen Nanometern bewegen. Zu diesem Zweck werden spezielle Vorrichtungen verwendet - Aktuatoren, die auf der Basis des piezoelektrischen Effekts arbeiten. Es ist in Piezo-Feuerzeugen zu sehen, bei denen das Drücken eines Knopfes eine scharfe Verformung des Quarzkristalls und das Auftreten eines elektrischen Funkens verursacht. Bei Sondenmikroskopen funktioniert der gegenteilige Effekt: Die angelegte Spannung verformt den Kristall, an dem die Nadel befestigt ist. Durch Variieren der Spannung können Sie die Nadel bewegen und die Oberfläche Zeile für Zeile auf diese Weise scannen.
In den meisten Rastersondenmikroskopen werden heute Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) -Röhrchen als Piezoelektrikum verwendet. Es hat viele Vorteile gegenüber Wettbewerbern, ist aber nicht perfekt. So kann sich beispielsweise aufgrund eines Phänomens wie der mechanischen Hysterese der Cantilever während des Scannens zu einem unvorhersehbaren Punkt bewegen, und der geringe Widerstand des Piezoelektrikums gegen Temperaturänderungen führt dazu, dass die experimentellen Ergebnisse vom "Wetter" im Labor abhängen.
Julia schlug vor, anstelle von PZT-Keramik ein neues Material zu verwenden, das am Department of Materials Science für Halbleiter und Dielektrika entwickelt wurde - Bidomenon-Lithiumniobat-Einkristalle, um den Cantilever zu bewegen.
Lithiumniobat selbst ist seit langem bekannt - die ersten Proben wurden in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts unabhängig von Wissenschaftlern aus der UdSSR und den USA zur Verwendung in Lasern und anderen optischen Geräten entnommen. Neben hervorragenden optischen Eigenschaften weist Lithiumniobat auch piezoelektrische Eigenschaften auf und weist nicht die inhärenten Nachteile von PZT-Keramik auf.
Die piezoelektrischen Eigenschaften von Lithiumniobat sind um eine Größenordnung schlechter als die von Piezokeramiken, die bis vor kurzem die Verwendung in Rastersondenmikroskopen nicht zuließen: Es musste zu viel Spannung an das Niobat angelegt werden, um die Auslegernadel um eine ausreichende Strecke zu bewegen. Eine Gruppe von Wissenschaftlern von NUST „MISiS“ konnte dieses Problem lösen. Eine dünne kristalline Platte aus Lithiumniobat wird getempert, so dass zwei Bereiche des gleichen Volumens (Domänen) darin gebildet werden, die sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes unterschiedlich verformen. Solche Kristalle werden als Bi-Domain bezeichnet. Nach korrekter Auswahl der Geometrie und Ausrichtung der Platte konnten bei niedrigen Steuerspannungen signifikante Verschiebungen des Cantilevers erzielt werden.
Dank der Verwendung von Kristallen aus Bi-Domain-Lithiumniobat wurden die Bilder klarer. Darüber hinaus wurde es möglich, Oberflächen bei Temperaturen zu untersuchen, die für PZT-Keramiken nicht erreichbar sind. Es ist bereits bei 150 - 200 ° C kein Piezoelektrikum mehr und Niobat behält seine Eigenschaften bis zu 450 ° C bei, sodass wir beispielsweise Änderungen der gescannten Oberfläche während des Erhitzens untersuchen können.
Gemäß den Wettbewerbsbedingungen „U.M.N.I.K.“ Der Innovationsförderungsfonds, den Julia Terekhova mit ihrem Projekt gewonnen hat, wird zwei Jahre lang daran arbeiten. Derzeit optimiert sie eine Laborprobe des ersten ihrer Art „Kern“ für ein Mikroskop. Das Ergebnis der Studie sollte ein fertiges Gerät sein, das veraltete Verschiebungssysteme in Rastersondenmikroskopen ersetzen kann.