Исследователи обнаружили сложные нанотекстуры, которые придают материалам новые свойства

Используя сочетание мощного рентгеновского излучения, алгоритмов поиска фаз и машинного обучения, исследователи из Корнелла выявили сложные нанотекстуры в тонкопленочных материалах, предложив новый, упрощенный подход к анализу потенциальных кандидатов для квантовых вычислений и микроэлектроники, среди прочих применений.

Ученых особенно интересуют нанотекстуры, которые распределены неравномерно по всей тонкой пленке, поскольку они могут придавать материалу новые свойства. Наиболее эффективным способом изучения нанотекстур является их непосредственная визуализация, что обычно требует сложной электронной микроскопии и не позволяет сохранить образец.

Новый метод визуализации, подробно описанный 6 июля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, преодолевает эти трудности, используя фазовый поиск и машинное обучение для инверсии традиционно собираемых данных рентгеновской дифракции — таких как данные, полученные на Корнельском источнике синхротронного излучения высокой энергии, где были собраны данные для исследования — в визуализацию материала в реальном пространстве в наномасштабе.

Использование дифракции рентгеновских лучей делает этот метод более доступным для ученых и позволяет получить изображение большей части образца, говорит Андрей Зингер, доцент кафедры материаловедения и инженерии и научный сотрудник факультета имени Дэвида Кролла, возглавлявший исследование вместе с докторантом Зимином Шао.

Съемка большой площади важна, потому что она отражает истинное состояние материала, — сказал Зингер.

Нанотекстура, измеренная локальным зондом, может зависеть от выбора места зондирования.

Еще одним преимуществом нового метода является то, что он не требует разделения образца на части, что позволяет динамически изучать тонкие пленки, например, вводить свет, чтобы увидеть, как развиваются структуры.

Этот метод может быть легко применен для изучения динамики in-situ или operando, — сказал Шао.

Например, мы планируем использовать метод для изучения того, как меняется структура в течение пикосекунд после возбуждения короткими лазерными импульсами, что может позволить создать новые концепции для будущих терагерцовых технологий.

Метод был протестирован на двух тонких пленках, первая из которых имела известную нанотекстуру, используемую для проверки результатов визуализации. После тестирования второй тонкой пленки — изолятора Мотта с физическими свойствами, связанными со сверхпроводимостью — исследователи обнаружили новый тип морфологии, который ранее не наблюдался в материале — наношаблон, вызванный деформацией, который спонтанно формируется при охлаждении до криогенных температур.

Изображения получены без предварительных знаний, — заключил Шао, — потенциально устанавливая новые ориентиры и обосновывая новые физические гипотезы в моделировании фазового поля, моделировании молекулярной динамики и квантово-механических расчетах.

09.07.2023