原子级图像可能会导致新的先进陶瓷

能源部的新原子级图像’橡树岭国家实验室承诺将为研究人员提供预测和建模先进陶瓷材料的性能和行为的能力。一项新的研究描述了一项研究,该研究将代表开发用于各种应用的坚固和耐热材料的宝贵优势。这项工作以世界纪录的0.7埃分辨率揭示了氮化硅陶瓷中原子的首选位置。来自 橡树岭国家实验室 :原子级图像为材料研究人员提供了开发先进陶瓷的新工具

能源部的新原子级图像’橡树岭国家实验室承诺将为研究人员提供预测和建模先进陶瓷材料的性能和行为的能力。

2004年4月15日在《自然》杂志上发表的一篇论文描述了一项研究,该研究将代表开发用于各种应用的强力和耐热材料的宝贵优势。

The work, by ORNL researchers Stephen Pennycook of the Condensed Matter Sciences Division, Gayle Painter and Paul Becher of the Metals and Ceramics Division and visiting researcher Naoya 柴田, reveals, in world-record 0.7 angstrom resolution, the preferred location of atoms within a silicon nitride ceramic.

特定原子所在的位置是材料性能的关键。原子级图像几乎与理论计算预测的位置完全匹配。

“有了对理论的新信心,我们将在不久的将来在计算机屏幕上对材料进行建模并预测其性能,而无需实际制造和表征大量非常昂贵且困难的样品,” Pennycook said.

用ORNL制作氮化硅图像’300伏伏的Z对比扫描透射电子显微镜(STEM),借助一种称为像差校正的新兴技术进行辅助,该技术使用计算机技术来校正由于电子透镜的缺陷而引入图像的误差。日本科学促进会研究员Shibata制作了这些图像,然后使用纽约州Setauket的Pixon LLC提供的技术对其进行了完善。

氮化硅坚固且轻巧,因此对材料研究人员非常感兴趣。但是,它本质上也是易碎的,因此研究人员一直在寻找使它更坚硬,更不易碎的方法,因此更适合于需要坚固,耐热和轻质部件的应用。

增强材料韧性的一种方法是促使晶须状晶粒的生长,晶状晶粒的作用与混凝土中的增强棒相似。研究人员知道如何通过添加某些稀土元素在氮化硅中形成晶须状晶粒“doping” agents such as lanthanum oxide. However, slight changes in the 掺杂 agents result in variations in the properties of the materials. The ability to predict and manipulate the structure of these materials at the atomic level will aid researchers in developing the ceramic materials with the most desirable properties.

像许多陶瓷材料一样,氮化硅陶瓷是通过首先将粉末压缩成所需形状而制成的,该形状仍包含大量孔。为了消除气孔,必须在非常高的温度下对材料进行烧结(基本上烘烤),然后将其与氧化物粉末结合在一起,制成致密的陶瓷。所得的氮化硅陶瓷还包含非常薄的非晶态玻璃状薄膜,该薄膜围绕着所有氮化硅晶粒。陶瓷的性能取决于掺杂剂最终如何将自身置于氮化硅陶瓷中。过去,寻求最佳性能的研究人员不得不尝试不同的组合,直到获得最佳材料。

“镧和等稀土元素具有完全不同的作用,” said Becher. “您将获得具有不同特性的外观不同的微观结构。镧会产生长而细长的增强晶粒,而会产生较胖的晶粒。真正的问题是,为什么这些元素会引起这些变化?

“由Painter领导的理论计算预测,这些元素在将自己定位在氮化硅晶粒表面时具有不同的偏好。人们发现像镧这样的金属想进入晶粒表面,导致长而细的晶粒形成。另一方面,据预测less不太可能位于谷物表面附近,这会使谷物变得更胖。

“我们知道,我们可以获得的特定微观结构以及非晶膜的性质极大地影响了氮化硅的性能。所以知道‘the why’对于开发新材料至关重要” Becher said.

但是要确定该理论的准确性,需要找到镧等特定元素的位置。由于每个氮化硅晶粒周围都存在非晶膜,“在显微镜下很难看到这些掺杂原子,”Pennycook说,并补充说这是一个“good problem” for his world-record holding Z-contrast STEM. 柴田, who arrived last April, proved to be up to the task.

柴田’的Pixon增强图像对应于ORNL的理论预测’s Painter如此紧密,以至于都是ORNL公司研究员的Pennycook和Becher相信,研究人员将来将能够利用理论上的进步和原子尺度分析获得的理解,通过计算机自信地设计最佳材料。新的先进陶瓷材料。

“现在我们知道了原子发生的原因,” Becher said. “这将使研究人员能够创建更坚硬,更坚固的材料。这些材料将在明天找到’适用于飞机和卡车的先进微型涡轮机和辅助动力系统。”

该论文的共同作者是计算机科学与数学系的William A. Shelton和Pixon的Tim Gosnell。这项工作是由美国能源部科学,基础能源科学,材料科学与工程学部赞助的。

ORNL目前正在建设一个先进的材料表征实验室,该实验室将进一步将像差校正技术应用于原子级显微镜。

橡树岭国家实验室(橡树岭国家实验室)是由UT-Battelle管理的能源部的多程序研究设施。



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