Forskare vid MIT och samarbetspartners har direkt karakteriserat den tredimensionella atomära och polära strukturen hos en relaxor-ferroelektriker med hjälp av en teknik som kallas multislice-elektronptykografi. De rapporterar att centrala polarisationsegenskaper är mindre än vad ledande simuleringar förutspått – resultat som kan bidra till att förfina modeller som används för att designa framtida sensor-, dator- och energienheter.
Relaxor-ferroelektriker har använts i årtionden i teknologier som ultraljudsavbildning, mikrofoner och sonarsystem, men forskare har haft svårt att direkt mäta det atomära ursprunget till deras ovanliga egenskaper.
Ett team lett av materialforskaren James LeBeau vid Massachusetts Institute of Technology rapporterar att de nu för första gången direkt har karakteriserat den tredimensionella atomära strukturen hos en relaxor-ferroelektriker, med hjälp av en elektronmikroskopimetod känd som multislice-elektronptykografi (MEP). Arbetet beskrevs av MIT News och distribuerades av ScienceDaily, vilka båda hänvisar till en artikel publicerad i Science med titeln ”Bridging experiment and theory of relaxor ferroelectrics with multislice electron ptychography.”
Enligt MIT-rapporten skannade forskarna en bly-magnesium-niobat–bly-titanat-legering (PMN-PT) – en relaxor-ferroelektriker som används i applikationer som sensorer och ställdon – genom att flytta en nanoskala-prob av högenergielektroner över provet och mäta diffraktionsmönster vid varje position. Genom att använda överlappningar mellan intilliggande mätningar rekonstruerade teamet en tredimensionell vy av materialets struktur.
MEP-mätningarna avslöjade en hierarki av kemiska och polära strukturer som sträcker sig från atomär till mesoskopisk skala, och forskarna fann att många regioner med olika polarisation var mycket mindre än vad ledande simuleringar förutspått. Teamet uppgav att de sedan införlivade de nya experimentella mätningarna i datorsimuleringar för att förfina modeller och förbättra överensstämmelsen med observationer.
”Nu när vi har en bättre förståelse för exakt vad som händer kan vi bättre förutsäga och konstruera de egenskaper vi vill att material ska uppnå”, sade LeBeau i MIT:s pressmeddelande.
Medförfattarna Michael Xu och Menglin Zhu sade att experimenten också lyfte fram kemisk oordning som tidigare modellering inte helt hade fångat.
Författarlistan som beskrivs av MIT inkluderar samarbetspartners från MIT samt University of Alabama at Birmingham, Rice University och University of Pennsylvania, bland andra.
MIT och ScienceDaily rapporterade att arbetet delvis stöddes av U.S. Army Research Laboratory och U.S. Office of Naval Research, och att det även använde MIT.nano-anläggningar. Dessa utgåvor beskriver också den bredare betydelsen som ett sätt att validera och förbättra modeller för komplexa material, med potentiella långsiktiga implikationer för minneslagring, sensorer och energiteknik.
