Исследователи Массачусетского технологического института впервые в истории составили трехмерную карту атомной структуры релаксорного сегнетоэлектрика — материала, десятилетиями используемого в ультразвуковой диагностике, микрофонах и сонарах. Необычные свойства этого материала обусловлены его внутренним атомным устройством, однако прямое измерение этой структуры долгое время оставалось невозможным, из-за чего ученые полагались лишь на приблизительные модели. Результаты работы, опубликованные в Science, помогут усовершенствовать проектирование вычислительных систем, энергетических устройств и датчиков нового поколения.
Применив передовой метод визуализации, команда изучила распределение зарядов внутри материала и обнаружила неожиданные закономерности, опровергающие прежние гипотезы. Соавторы исследования Майкл Сюй и Мэнлинь Чжу отметили, что ранее модели не учитывали химический беспорядок, который удалось выявить в ходе экспериментов. Объединив наблюдения с компьютерным моделированием, ученые скорректировали модели, чтобы точнее предсказывать реальное поведение материала.
Фокус исследования был направлен на сплав магний-ниобата свинца и титаната свинца, широко применяемый в сенсорах и оборонных системах. С помощью инновационной методики — многоволновой электронной птхографии (MEP) — команда сканировала материал наноразмерным пучком электронов, фиксируя дифракционные картины для восстановления трехмерной информации. В результате была выявлена сложная иерархия химических и полярных структур — от одиночных атомов до крупных образований. При этом поляризационные области оказались значительно меньше, чем предсказывало моделирование.
Включение новых данных в расчеты позволило достичь высокой точности соответствия моделей реальным характеристикам. «Теперь мы можем показать, как отдельные химические компоненты влияют на поляризацию», — пояснил Сюй. Ученые уверены, что этот подход в будущем поможет создавать материалы с заданными электронными свойствами для улучшения запоминающих устройств, сенсорных систем и энергетических технологий. «Если модели недостаточно точны и их нечем проверить, то это пустая трата времени, — подчеркнул соавтор работы Лайл ЛеБо. — Наша техника позволяет наконец валидировать модели и понять, как материал ведет себя на самом деле».
Источник: MIT scientists finally reveal the hidden structure of a mysterious high-tech material