Atomik Kuvvet Mikroskopları (AFM), malzemeler arasında ultra keskin bir ucu sürükler. Yüzeye çok yakın geçer ama asla yüzeye dokunmaz. Uç, malzemenin ürettiği elektrik ve manyetik kuvvetleri tespit ederek, yüzeyin nerede olduğunu hissedebilir. Araştırmacı, metodik olarak ileri ve geri geçirerek, bir malzemenin yüzey özelliklerini aynı şekilde ölçebilir. Aynı şekilde bir anketör bölgeyi haritalandırmak için bir toprak parçasında metodik olarak ilerler. AFM’ler bir malzemenin deliklerinin, çıkıntılarının ve özelliklerinin haritasını bir tuz tanesinden binlerce kat daha küçük ölçekte verebilir.
AFM’ler yüzeyleri araştırmak için tasarlanmıştır. Kullanıcıların çoğu zaman, uçla çarparak, malzemeye zarar verme riskleri vardır. Zaman zaman bu kaçınılmazdır. Birkaç yıl önce, yüksek lisans öğrencisi Yasemin Kutes ve Justin Luria, malzeme bilimi ve mühendislik profesörü Brian Huey’in laboratuvarında güneş pillerini inceleyerek, yanlışlıkla örneklerini aldı. İlk başta bunun bir hata olduğunu düşündüler. Ancak sonra Kutes AFM’nin ucunu yanlışlıkla kazıdığı çukurun derinliklerine soktuğunda; malzemenin özelliklerinin farklı göründüğünü fark ettiler.
Bir AFM’nin ucunu bilerek bir keski gibi kullanarak bir malzemeye kazısaydınız ne olurdu? Elektriksel ve manyetik özellikler yüzeyi katman katman çizerek, malzemenin özelliklerinin 3D görüntüsünü, yüzeyi 2D olarak eşleştirdiği şekilde oluşturabilir mi? Ayrıca özellikler bir malzemenin derinliklerinde farklı görünebilir mi? Yüksek Lisans Öğrencisi James Steffes çalışmasında tüm bu sorulara cevap aradı.
Araştırmacılar oda sıcaklığında multiferroik bir bizmut ferrit (BiFeO3) madde örneğine odaklandılar. Multiferroikler, aynı anda çoklu elektrik veya manyetik özelliklere sahip olan malzemelerdir.
Örneğin, bizmut ferrit hem manyetik alanlara cevap veren antiferromanyetiktir hem de genel olarak bir Kuzey veya Güney manyetik kutbu göstermez ve değiştirilebilir elektriksel polarizasyona sahip olan ferroelektrik anlamına gelmez. Bu tür ferroelektrik malzemeler genellikle alan adı verilen küçük bölümlerden oluşur. Her alan, tümü pozitif uçlarına aynı yönde hizalanmış olan bir grup pil gibidir. Bu alanın her iki tarafındaki kümeler başka bir yöne işaret edilecektir. Bilgisayar belleği için çok değerlidirler. Çünkü bilgisayar alanları manyetik olarak veya elektrik alanlarını kullanarak ‘yazı’ yazabilir.
Bir malzeme bilimcisi, bizmut ferrit parçası hakkında bilgi okuduğunda veya yazdığında, normalde sadece yüzeyde ne olduğunu görebilirl. Ancak, yüzeyin altında ne olacağını bilmek isterlerse, malzemeyi daha hızlı çalışan ve bugün mevcut olanlardan daha az enerji kullanan daha verimli bilgisayar çiplerine dönüştürmek mümkün olabilir. Bu toplumun genel enerji tüketiminde büyük bir fark yaratabilir. ABD’de tüketilen tüm elektriğin yüzde 5’i çalışan bilgisayarlara gidiyor.
Bunu bulmak için, Steffes, Huey ve ekibin geri kalanı titizlikle bir bizmut ferrit filmi kazımak ve içini parça parça eşleştirmek için bir AFM ipucu kullandı. Bireysel alanları tamamen aşağıya indirdiklerini, yüzeyde her zaman görünmeyen desenleri ve özellikleri ortaya koyduklarını buldular. Bazen bir alan kayboluncaya veya bir y şeklinde bölünene kadar daraltılmış veya başka bir alanla birleştirilmiştir. Daha önce hiç kimse malzemenin içini bu şekilde görmemişti. Bu olay tıpkı daha önce sadece 2D X-ışınları okunabildiğinde; kemiğin 3D CT taramasına bakmak gibi…
Huey: “Dünya çapında, zaten kurulmuş 30.000 AFM var. Bunların büyük bir kısmı, 2019’da AFM ile (3D haritalamayı) deneyecek, bu zamana kadar sadece yüzeyi çizebildiklerini fark ediyoruz. Ayrıca, 3D haritalamanın malzemeleri için işe yaradığı kanıtlanırsa, daha fazla laboratuvarın AFM satın alacağını düşünüyoruz ve bazı mikroskop üreticileri AFM’leri özel olarak 3D tarama için tasarlamaya başlayacak.”
Intel, muRata ve diğer yerlerdeki araştırmacılar, yeni nesil bilgisayar çipleri yapabilmek için yeni malzemeler ararken, bizmut ferrit hakkında öğrendikleriyle de ilgililer. Bu arada Huey’nin ekibi, betondan kemiğe ve bir dizi bilgisayar bileşenine kadar her türlü malzemeyi araştırmak için AFM’leri kullanıyor.
Huey. “Akademik ve kurumsal ortaklarla birlikte çalışarak, bu malzemelerin daha az enerji kullanmak, performanslarını optimize etmek ve güvenilirliklerini ile ömürlerini iyileştirmek için nasıl daha iyi mühendislik yapılabileceğini anlamak için yeni fikirlerimizi kullanabiliriz.”