Discovery Outlels在超晶格中的紧急原子振动

钛酸锶系列 - 钛酸钙超晶格，显示界面区域的重叠，作为层变小。
资料来源:橡树岭国家实验室的安德鲁·斯波尔斯

Nature Paper推进具有定制红外和热性能的纳米材料设计。

在七所大学和两个国家实验室合作的科学家和工程师对多层纳米结构的原子结构和振动进行了根本性的发现，推进了具有独特红外和热性能的材料的设计。

他们的论文,氧化物超晶格的紧急界面振动结构，发表于2007年1月26日自然．

他们的发现从显微镜，光谱学和理论专家的长期合作中出现，从物理到物理到材料科学的工程。Eric Hoglund.，第一作者和博士后研究人员，和詹姆斯豪莱，Thomas Goodwin Digges材料科学与工程教授，都在弗吉尼亚州工程学院和应用科学学院，采用显微镜技术来研究钙钛矿氧化物的原子结构和振动。

Hoglund说:“你可以调整磁性、导电性和热传输等所需的特性，或者通过改变氧化物之间的偶联方式、氧化物分层的次数和每一层的厚度来诱导出现现象。”

精确控制的钛酸锶和钛酸钙样品，重复堆叠形成超晶格，生长拉梅什Ramamoorthy他是加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学和材料科学与工程教授，以及他的团队罗马Engel-Herbert，宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程，物理学和化学副教授。

Hoglund和乔丹赫塔尔他是第一个使用新一代扫描透射电子显微镜观察超晶格的原子结构和振动方面的研究人员。

使用原子分辨率成像，霍格伦德表明，当超晶格的界面变得非常接近时，层的原子排列特征停止存在，界面上的原子位置出现在各处。然后，Hachtel使用了一种被称为单色电子能量损失光谱的新技术，该技术结合了同时成像和光谱分析的高能分辨率和高空间分辨率，来揭示原子重新排列的结果。

“我们能够窥视超晶格内部，看到每一层和每一界面的振动，”Hachtel说。“这使我们能够直接将微观热传递振动的运动与超晶格的原子结构联系起来。像我们这样的实验使得红外材料具有定制的光子和声子特性的合理设计成为可能。”

Sokrates t Pantelides，范德堡大学物理与工程大学特聘教授，威廉·a·麦克明物理学教授，以及范德堡大学电气工程教授，为详细分析实验结果提供了理论基础。

理论使不同的观察结果结合成一个连贯的整体。在这种情况下，研究结果使纳米结构设计具有理想的热和红外性能。”Pantelides说。

博士后学者De-Liang Bao和研究助理教授安德鲁奥哈拉潘泰里德斯的团队进行了大量的量子计算，使详细分析成为可能，并确定了霍格伦德和哈赫特尔观察到的集体模式中每个原子的精确振动。

变化的原子振动景观会影响整个超晶格中的红外光学性质，如研究生执行的实验所示约瑟夫•马特森他是范德比尔特大学的一名成员纳米光电材料和设备实验室，由...领着Joshua D. Caldwell.，鲜花家族校长教师和机械工程和电气工程副教授，以及在队友的桑迪亚国家实验室进行的实验刺伤实验室在普渡大学，由此引领Thomas Beechem.现任机械工程副教授。

UVA的ExSiTE研究小组，LED帕特里克霍普金斯，惠特尼石核工程教授和机械和航空航天工程教授，提供了最终证明。高级科学家约翰Tomko和博士生Sara Makarem.利用超快光谱技术证明了超晶格中的界面控制着非线性光学性质和热振动寿命。

“我认为这将能够实现先进的材料发现，”霍普金斯说。“与其他材料一起使用的科学家和工程师现在可以在自己的研究中寻找类似的性质。”

长期合作继续。Hoglund是作为博士后研究员的第二年，与Howe和Hovkins一起使用。与帕特莱德，赫哈特尔和伤口争夺一起，他希望他们将在不久的将来分享新的和令人兴奋的原子结构 - 振动想法。

确认资助者

许多外部资金组织支持这项研究合作。

海军研究办公室支持Hoglund和Hopkins Research Group成员进行的显微镜实验，通过Muri计划授予N00014-18-1-2429。陆军研究办公室还通过拨款号W911NF-21-1-0119支持这项工作。Makarem还承认NIH生物技术培训计划的支持。

美国能源部材料科学与工程局，科学办公室基本能源科学的一部分，支持Vanderbilt University的理论工作在Grant Number De-FG02-09ER46554中，由McMinn禀赋补充。

电子能量损失光谱实验是在纳米相材料科学中心(美国能源部科学用户设施办公室)进行的，作为用户提案的一部分，并使用了UT-Battelle有限责任公司根据合同号提供的橡树岭国家实验室材料表征核心的仪器。DE-AC05 - 00 or22725。

Joshua D. Caldwell的纳米光电材料和器件实验室进行了研究，由国家科学基金会，材料研究奖第1904793号材料分工支持。

计算是在国家能源研究科学计算中心进行的，该中心是美国能源部科学办公室的用户设施，位于劳伦斯伯克利国家实验室，合同编号DE-AC02-05CH11231。

加州大学伯克利大学的氧化杂族综合作品得到了De-AC02-05CH11231的母鹿科学，基本能源科学课程的量子材料计划。

Ramamoorthy Ramesh在W911NF-21-2-0162协议下，在陆军研究办公室多机构研究倡议的支持下种植超晶格。