В этой новой работе трехмерное распределение электрических зарядов в релаксорных сегнетоэлектриках было отображено с помощью многослойной электронной птихографии.
Исследователи из Массачусетского технологического института и сотрудничающих с ним учреждений впервые непосредственно измерили трехмерную атомную структуру релаксорного сегнетоэлектрика.
Эти материалы играют ключевую роль в таких технологиях, как ультразвук, гидролокация и высокоэффективные датчики, но их сложная, неупорядоченная структура десятилетиями оставалась загадкой.
Релаксационные сегнетоэлектрики ценятся за свою чрезвычайную чувствительность к электрическим полям. По сравнению со стандартными кристаллами, где атомы располагаются в идеальных, предсказуемых рядах, релаксоры характеризуются химическим беспорядком.
Это открытие показало, что внутренние полярные области материала намного меньше и сложнее, чем предполагали ведущие модели.
«Теперь, когда мы лучше понимаем, что именно происходит, мы можем лучше прогнозировать и проектировать свойства, которые хотим получить от материалов», — сказал Джеймс ЛеБо, профессор материаловедения и инженерии имени Киосеры в Массачусетском технологическом институте.
«Научное сообщество все еще разрабатывает методы проектирования этих материалов, но для того, чтобы предсказать свойства, которыми будут обладать эти материалы, необходимо знать, верна ли ваша модель», — добавил ведущий автор.
Картирование химических нарушений
В этой новой работе трехмерное распределение электрических зарядов в релаксорных сегнетоэлектриках было отображено с помощью многослойной электронной птихографии.
Этот метод включает сканирование материала наноразмерным электронным зондом для получения перекрывающихся дифракционных картин. Затем алгоритмы восстанавливают эти картины в трехмерную карту атомной и полярной структуры объекта с высоким разрешением.
Это помогло выявить уровень «химического беспорядка», ранее игнорируемый стандартными моделями. В частности, этот метод позволил наблюдать трудноуловимые нанообласти внутри сплава ниобата магния и титаната свинца.
Благодаря этому были изучены внутренние атомные взаимодействия, определяющие превосходные свойства материала по накоплению энергии и сенсорным свойствам. До настоящего времени эти структурные детали было невозможно измерить напрямую.
«Мы делаем это последовательно, и в каждой точке получаем дифракционную картину. Это создает области перекрытия, и это перекрытие содержит достаточно информации для использования алгоритма, позволяющего итеративно восстанавливать трехмерную информацию об объекте и волновой функции электрона», — пояснил Мэнлинь Чжу, один из соавторов статьи.
Более совершенные устройства
Этот метод показал, что многие из «полярных областей» — скоплений заряда, которые придают материалу его силу, — оказались намного меньше, чем кто-либо ожидал.
Кроме того, интеграция этих данных в компьютерные симуляции помогла выйти за рамки «случайных» моделей и точно показать, как конкретные химические соединения и зарядовые состояния координируются, определяя поведение материала.
«В области материаловедения все большее значение придается процессу проектирования материалов — будь то металлические сплавы или полупроводники — по мере совершенствования искусственного интеллекта и развития вычислительных инструментов», — заявил Лебо.
«Но если наши модели недостаточно точны, и у нас нет способа их проверить, то получается, что «мусор на входе — мусор на выходе». Этот метод помогает нам понять, почему материал ведет себя именно так, и проверить наши модели», — добавил автор.
Благодаря «проверенной карте» атомных структур это открытие призвано ускорить разработку технологий следующего поколения в различных отраслях. Такая структурная ясность позволит разработать более точные медицинские ультразвуковые и гидролокационные системы, системы хранения энергии большей емкости и передовые электронные компоненты для более быстрых вычислений.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science 30 апреля.
Sourse: interestingengineering.com
