Forskere besvarer langvarige spørgsmål om relaxor ferroelektri

Faststoffets egenskaber afhænger af arrangementet af dets atomer, som danner en periodisk krystalstruktur. På nanoskala, arrangementer, der bryder denne periodiske struktur, kan drastisk ændre materialets adfærd, men dette er svært at måle. Nylige fremskridt fra forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory er begyndt at opklare dette mysterium.

Ved hjælp af state-of-the-art neutron og synkrotron røntgenstråling, Argonne-forskere og deres samarbejdspartnere hjælper med at besvare langvarige spørgsmål om en teknologisk vigtig klasse af materialer kaldet relaxor ferroelectrics, som ofte er blybaserede. Disse materialer har mekaniske og elektriske egenskaber, der er nyttige i applikationer såsom sonar og ultralyd. Jo flere forskere forstår om relaxor ferroelektrisk indre struktur, de bedre materialer vi kan udvikle til disse og andre applikationer.

De dielektriske konstanter for relaxor ferroelektriske stoffer, som udtrykker deres evne til at lagre energi, når de er i et elektrisk felt, have en usædvanlig afhængighed af feltets frekvens. Dens oprindelse har længe været et mysterium for forskere. Relaxor ferroelektrik kan også have overordentlig høje piezoelektriske egenskaber, hvilket betyder, at når de mekanisk belastes, udvikler de et internt elektrisk felt, eller, omvendt, de udvider sig eller trækker sig sammen i nærvær af et eksternt elektrisk felt. Disse egenskaber gør relaxor ferroelektriske anvendelige i teknologier, hvor energi skal konverteres mellem mekanisk og elektrisk.

Fordi bly er giftigt, forskere forsøger at udvikle ikke-blybaserede materialer, der kan udføre endnu bedre end de blybaserede ferroelektriske stoffer. For at udvikle disse materialer, forskere forsøger først at afdække, hvilke aspekter af relaxor ferroelektriske krystalstruktur der forårsager dens unikke egenskaber. Selvom strukturen i gennemsnit er velordnet og forudsigelig, afvigelser fra denne ordre kan forekomme på en lokal, eller nanoskala. Disse afbrydelser i den langsigtede symmetri af den overordnede struktur spiller en afgørende rolle i bestemmelsen af ​​materialets egenskaber.

"Vi forstår den lange rækkefølge meget godt, men til dette eksperiment udviklede vi nye værktøjer og metoder til at studere den lokale orden, "sagde Argonne seniorfysiker Stephan Rosenkranz.

Forskere fra Argonne og National Institute of Standards and Technology, sammen med deres samarbejdspartnere, studeret en række blybaserede ferroelektriske forbindelser med forskellige lokale ordrer, og derfor forskellige egenskaber. Ved hjælp af ny instrumentering designet af Argonne -forskere, der er i stand til at levere en meget større og mere detaljeret måling end tidligere instrumenter, holdet undersøgte den diffuse spredning af materialerne, eller hvordan de lokale afvigelser i strukturen påvirker det ellers mere velordnede spredningsmønster.

Tidligere forskere har identificeret et bestemt diffust spredningsmønster, som tager form af en sommerfugl, og associerede det med de unormale dielektriske egenskaber ved relaxor ferroelektriske egenskaber. Da Argonne -forskere analyserede deres eksperimentelle data, imidlertid, de fandt ud af, at den sommerfuglformede spredning var stærkt korreleret med piezoelektrisk adfærd.

"Nu kan vi tænke over, hvilken slags lokal orden der forårsager, at denne sommerfugl spredes, og hvordan kan vi designe materialer, der har de samme strukturelle træk, der giver anledning til denne effekt, "sagde Argonne -fysikeren Danny Phelan.

Hvad angår den reelle årsag til de unormale dielektriske egenskaber, forskerne foreslår, at det stammer fra konkurrerende interaktioner, der fører til "frustration" i materialet.

De nye opdagelser stammer fra forskernes brug af både neutronspredning og røntgenstråling. "Der er uvurderlig komplementaritet ved at bruge begge disse teknikker, "sagde Phelan." Brug af det ene eller det andet giver dig ikke hele billedet. "

Forskerne vil bruge disse opdagelser til at informere modeller om relaxor ferroelektriske stoffer, der bruges til at udvikle nye materialer. Fremtidige eksperimenter vil yderligere belyse forholdet mellem lokal orden og materielle egenskaber.