Des chercheurs du MIT et leurs collaborateurs ont caractérisé directement la structure atomique et polaire tridimensionnelle d'un ferroélectrique relaxeur en utilisant une technique appelée ptychographie électronique multicouche, rapportant que les caractéristiques de polarisation clés sont plus petites que ce que prévoyaient les principales simulations — des résultats qui pourraient aider à affiner les modèles utilisés pour concevoir de futurs dispositifs de détection, de calcul et d'énergie.
Les ferroélectriques relaxeurs sont utilisés depuis des décennies dans des technologies incluant l'imagerie par ultrasons, les microphones et les systèmes de sonar, mais les chercheurs ont eu des difficultés à mesurer directement les origines à l'échelle atomique de leurs propriétés inhabituelles.
Une équipe dirigée par le chercheur en science des matériaux du Massachusetts Institute of Technology, James LeBeau, rapporte avoir désormais caractérisé directement la structure atomique tridimensionnelle d'un ferroélectrique relaxeur pour la première fois, en utilisant une méthode de microscopie électronique connue sous le nom de ptychographie électronique multicouche (MEP). Ces travaux ont été décrits par MIT News et diffusés par ScienceDaily, citant tous deux un article publié dans la revue Science intitulé « Bridging experiment and theory of relaxor ferroelectrics with multislice electron ptychography ».
Selon le compte-rendu du MIT, les chercheurs ont scanné un alliage de niobate de magnésium et de plomb–titanate de plomb (PMN-PT) — un ferroélectrique relaxeur utilisé dans des applications telles que les capteurs et les actionneurs — en déplaçant une sonde nanométrique d'électrons à haute énergie à travers l'échantillon et en mesurant les modèles de diffraction à chaque position. En utilisant les chevauchements entre les mesures adjacentes, l'équipe a reconstruit une vue tridimensionnelle de la structure du matériau.
Les mesures par MEP ont révélé une hiérarchie de structures chimiques et polaires s'étendant des échelles atomiques aux échelles mésoscopiques, et les chercheurs ont découvert que de nombreuses régions de polarisation différente étaient beaucoup plus petites que ce qui était prédit par les principales simulations. L'équipe a déclaré avoir ensuite intégré les nouvelles mesures expérimentales dans des simulations informatiques pour affiner les modèles et améliorer la correspondance avec les observations.
« Maintenant que nous avons une meilleure compréhension de ce qui se passe exactement, nous pouvons mieux prédire et concevoir les propriétés que nous voulons que les matériaux atteignent », a déclaré LeBeau dans le communiqué du MIT.
Les co-auteurs principaux Michael Xu et Menglin Zhu ont indiqué que les expériences ont également mis en évidence un désordre chimique que la modélisation précédente n'avait pas totalement capturé.
La liste des auteurs décrite par le MIT inclut des collaborateurs du MIT ainsi que de l'Université de l'Alabama à Birmingham, de l'Université Rice et de l'Université de Pennsylvanie, entre autres.
Le MIT et ScienceDaily ont rapporté que ces travaux ont été soutenus en partie par le U.S. Army Research Laboratory et le U.S. Office of Naval Research, et qu'ils ont également utilisé les installations du MIT.nano. Ces publications décrivent également l'importance plus large de cette méthode comme un moyen de valider et d'améliorer les modèles de matériaux complexes, avec des implications potentielles à long terme pour le stockage de mémoire, la détection et les technologies énergétiques.
