На протяжении десятилетий релаксарные сегнетоэлектрики оставались одной из самых интригующих загадок материаловедения, находя применение в ультразвуковой визуализации, микрофонах и гидролокаторах. Их уникальные свойства, как полагают, напрямую связаны с расположением атомов внутри кристаллической решетки, однако прямое измерение этой структуры долгое время представляло собой непреодолимую сложность, вынуждая ученых довольствоваться неполными теоретическими моделями. Теперь, благодаря прорыву, совершенному исследователями из Массачусетского технологического института и их коллегами из других учреждений, ситуация кардинально изменилась: впервые удалось составить трехмерную карту атомной структуры релаксорного сегнетоэлектрика.
Результаты этого масштабного исследования, опубликованные в престижном журнале Science, закладывают, как отмечают авторы, более четкую основу для совершенствования существующих моделей. Это открытие, по их мнению, станет фундаментом для проектирования будущих вычислительных систем, а также для развития современных устройств и датчиков. «Теперь, когда мы лучше понимаем, что именно происходит на атомарном уровне, мы можем более точно прогнозировать и проектировать те свойства, которые хотим получить от материалов», — подчеркивает Джеймс ЛеБо, профессор материаловедения и инженерии Kyocera Массачусетского технологического института. Он добавляет: «Исследовательское сообщество все еще разрабатывает методы создания новых материалов, но чтобы предсказать их свойства, необходимо быть уверенным в верности вашей модели».
Давняя загадка материалов решена — открывает путь к более умным и мощным технологиям
Ключом к разгадке стал передовой метод визуализации, позволивший ученым заглянуть вглубь материала и понять, как электрические заряды распределяются по его объему. Используя технику, известную как многосрезовая электронная птихография (MEP), исследователи перемещали наноразмерный зонд электронов по образцу, фиксируя получаемые дифракционные картины. Перекрывающиеся области этих измерений, как поясняют авторы, позволили реконструировать трехмерное сканирование атомной структуры материала с беспрецедентной точностью.
То, что обнаружили исследователи, бросило вызов устоявшимся представлениям. «Мы поняли, что химический порядок, который мы бесследно наблюдали в наших экспериментах, ранее не был полностью учтен», — сообщают соавторы работы Майкл Сюй, доктор философии №25, и Мэнлин Чжу, оба являющиеся постдоками в Массачусетском технологическом институте. Благодаря тесному сотрудничеству с коллегами, ученым удалось сопоставить экспериментальные наблюдения с компьютерным моделированием, что позволило уточнить существующие модели и, в конечном счете, лучше предсказать то, что наблюдалось в ходе экспериментов. В исследовательскую группу также вошли Колин Гилгенбах и Бриджит Р. Дензер, аспиранты Массачусетского технологического института, чей вклад оказался неоценимым для достижения такого значимого результата.
та в области материаловедения и инженерии; Юбо Ци, доцент Университета Алабамы в Бирмингеме; Цзыун Ким, доцент Корейского института науки и технологий; Цзяхао Чжан, бывший аспирант Пенсильванского университета; Лейн В. Мартин, профессор Университета Райса; Эндрю М. Рапп, профессор Пенсильванского университета.
Исследование неупорядоченных материалов на атомном уровне
Компьютерные модели уже давно предполагают, что, когда электрическое поле присоединяется к релаксорным сегнетоэлектрикам, взаимодействие между положительными и отрицательными заряженными атомами внутри зон зон позволяет создать у них сильные способности сохранения и восприятия энергии. До сих пор за этими наноразмерными участками нельзя было наблюдать напрямую.
Для дальнейших исследований исследователи сосредоточились на широком использовании материалов, встречающихся в датчиках, исполнительных механизмах и защитных устройствах, — сплавах ниобата свиньи, магния и свиньи-гиганта. Они применили передовую техникум, называемую многосрезовой электронной птихографией (МЭП). Этот метод включает сканирование наноразмерного луча электронов высокой энергии по материалу и запись полученных дифракционных картинок.
«Мы делаем это последовательно, и в каждой позиции мы получаем дифракционную картину», — сказал он. Чжу сердце. «Это создает область перекрытия, и в этом перекрытии достаточно информации, чтобы использовать алгоритм для итеративного восстановления трехмерной информации об объекте и волновой функции электрона».
Используя этот подход, команда обнаружила многоуровневую иерархию химических и полярных структур, распространяющихся от отдельных атомов до более крупных мезоскопических структур. Они также обнаружили, что области с проявлениями поляризации были значительно меньше, чем предполагалось ранее при моделировании. Включив эти наблюдения в свои модели, исследователи смогли улучшить сравнение результатов с первого раза.
«Раньше эти модели в основном имели случайные области поляризации, но они не сказали вам, как эти области коррелируют друг с другом», — сказал он. Сюй говорит. «Теперь мы можем сообщить вам эту информацию и увидеть, как производители химических соединений модулируют поляризацию в зависимости от зарядового состояния атомов».
На пути к лучшим материалам для будущих технологий
По словам Чжу, полученные результаты демонстрируют растущую эффективность электронной птихографии для изучения сложных, неупорядоченных материалов и могут привести к новым направлениям исследований.
«В этом методе впервые с помощью микроскопа нам удалось напрямую связать трехмерную полярную структуру релаксорных сегнетоэлектриков с расчетами молекулярной динамики», — сказал он. Сюй говорит. «Это еще раз доказывает, что с помощью этой техники можно получить трехмерную информацию из образца».
Команда считает, что этот метод может в конечном итоге помочь разрабатывать научные материалы с индивидуальными электронными методами, улучшая такие технологии, как запоминающее устройство, сенсорные системы и энергетические устройства.
«Материаловедение усложняет процесс проектирования материалов, будь то металлические сплавы или полупроводники, поскольку искусственный интеллект совершенствуется, а наши вычислительные становятся более совершенными инструментами», — говорит он. ЛеБо говорит. «Но если наши модели недостаточно точны и у нас нет возможности их проверить, это мусор на мусоре. Этот метод помогает нам понять, почему материал ведет себя именно так, и проверить наши модели».
Исследование частично поддерживалось Исследовательской лабораторией армии США, Управлением военно-морских исследований США, Военным министерством США и Национальной научной стипендией для выпускников. В работе также использовались возможности MIT.nano.