Materialeforskere afslører vej til design af optiske materialer med specialiserede egenskaber

Selvom vi normalt tænker på uorden som en dårlig ting, har et hold af materialevidenskabelige forskere ledet af Rohan Mishra fra Washington University i St. Louis og Jayakanth Ravichandran fra University of Southern California afsløret, at - når det kommer til visse krystaller – en lille strukturel uorden kan have stor indflydelse på nyttige optiske egenskaber.

I en undersøgelse offentliggjort online i Advanced Materials , beskriver førsteforfatterne Boyang Zhao, en USC kandidatstuderende i materialevidenskab, der arbejder med Ravichandran, og Guodong Ren, en kandidatstuderende, der arbejder med Mishra i WashU's Institute of Materials Science and Engineering, en ny vej til at opnå nye optiske og elektroniske egenskaber fra strukturel lidelse .

De fandt ud af, at bittesmå forskydninger på blot et par picometers - det er 100.000 gange mindre end tykkelsen af ​​et ark papir - i atomstrukturen af ​​en krystal kunne have minimal indvirkning på optiske egenskaber i én retning, men producere gigantiske funktionelle forbedringer, når de ses fra en anden. vinkel.

I dette tilfælde ændredes materialets brydningsindeks, eller hvor meget lys, der bøjer eller afviger fra dets oprindelige vej, når det passerer igennem, dramatisk med atomuorden.

Sådanne funktionelle forbedringer kunne have praktiske anvendelser inden for billeddannelse, fjernmåling og endda medicin. Ved at kontrollere graden af ​​atomare forstyrrelse for at opnå de ønskede optiske egenskaber, forventer forskerne at udvikle krystaller, der muliggør avanceret infrarød billeddannelse under dårlige lysforhold, for eksempel forbedre ydeevnen af ​​autonome køretøjer, der kører om natten, eller medicinsk billedbehandlingsudstyr.

"Vi har arbejdet på halvledermaterialer i årevis, gradvist bevæget os ned i det periodiske system og ledt efter materialer, der opfører sig godt, men også gør interessante eller uventede ting," sagde Ravichandran, Philip og Cayley MacDonald Endowed Early Career Chair og lektor i Viterbi School of Engineering ved USC.

"Da vi begyndte at se på måder, hvorpå vi kan få mere tunerbarhed - at fremstille materialer, der er ideelle til specifikke applikationer - fandt vi ud af, at egenskaberne varierede dramatisk, når de blev målt fra forskellige retninger."

Når materialer har forskellige egenskaber eller adfærd, når de måles eller observeres fra forskellige retninger, er det kendt som anisotropi. Anisotrope materialer har forskellige egenskaber afhængigt af, hvordan du ser på dem, og det kan have en enorm indflydelse på funktioner, herunder lystransmission, mekanisk adfærd og andre fysiske eller elektriske egenskaber, der er kritiske for, hvordan dagligdags enheder som kameraer fungerer.

Materialet, som holdet studerede, var bariumtitaniumsulfid (BaTiS₃). ), en sekskantet krystal, var allerede kendt for at have stor optisk anisotropi, men forskerne kunne ikke finde ud af hvorfor. Det tog år med frem-og-tilbage-samarbejde mellem teams på WashU, USC og forskellige nationale laboratorier, men til sidst knækkede holdet sagen.

"Vi så store uoverensstemmelser mellem teori og eksperiment - at skinne lys på materialet i forskellige vinkler gjorde en enorm forskel i optiske egenskaber af årsager, der ikke var klare," sagde Mishra, lektor i maskinteknik og materialevidenskab i McKelvey School of Engineering ved WashU.

"Nøglen viste sig at være strukturelle ustabiliteter, der resulterer i, at visse atomer, i dette tilfælde Ti-atomerne, forskydes væk fra mere symmetriske positioner på en uordnet måde. Små anisotrope forskydninger viste sig i højopløsningssynkrotronforsøg, så vidste vi at se nærmere på atomstrukturen ved hjælp af et elektronmikroskop."

"Pikometerskalaforskydninger er så små, at du kun finder dem, hvis du specifikt leder efter dem," tilføjede Ravichandran.

Det niveau af fine detaljer er normalt ikke nødvendigt, selv ikke til banebrydende materialevidenskabelig forskning, fordi lys vibrerer så hurtigt, at det udglatter lokale ufuldkommenheder i et materiale. Ikke denne gang.

Ren og Zhao var nødt til at se på hver antagelse og hvert stykke teori for at finde ud af, hvordan man kunne forklare misforholdet mellem teori og eksperiment, sagde Mishra og Ravichandran og bemærkede, at det kun var muligt at løse dette mysterium gennem samarbejde.

Ved at bruge en kombination af avancerede teknikker, herunder enkeltkrystal-røntgendiffraktion, faststof-kernemagnetisk resonans og scanningstransmissionselektronmikroskopi, fandt forskerne bevis på anisotropiske atomforskydninger af titaniumatomerne i BaTiS₃ . Disse utroligt små picoskala forskydninger sker i lokale klynger i materialet, men alligevel udøver de en dybtgående indflydelse på globale optiske egenskaber.

"Nøglen er, at små forskydninger kan have gigantiske effekter," sagde Mishra. "Vi undersøger stadig, hvordan faktorer som temperatur kan ændre dette materiales optiske egenskaber, men med denne undersøgelse har vi udviklet en dyb forståelse af forholdet mellem strukturel uorden og optisk respons. Det vil hjælpe, når vi fortsætter med at opdage nye materialer og funktionaliteter. "

Flere oplysninger: Boyang Zhao et al., Giant Modulation of Refractive Index from Picoscale Atomic Displacements, Advanced Materials (2024). DOI:10.1002/adma.202311559

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Washington University i St. Louis