Raziskovalci merijo, kako se določeni atomi premikajo v dielektričnih materialih | 2020

Vsebina:

Anonim

"Dielektrični materiali so izolatorji, ki lahko shranjujejo in upravljajo električni naboj. Ampak še nismo neposredno izmerili, kako se atomi premikajo v dielektričnih materialih, da bi shranili to polnitev," pravi dr. Tedi-Marie Usher. kandidat za področje materialov in inženirstva v državi NC in glavni avtor prispevka o delu.

Da bi prišli do dna tega problema, so raziskovalci uporabili napetost na dielektričnem materialu in ustvarili električno polje. Istočasno so bombardirali material z rentgenskimi žarki iz sinhrotrona v naprednem fotonskem viru nacionalnega laboratorija Argonne. Ko rentgenski žarki zadenejo material, se raztrosijo v vzorec svetlih obročev. Za določitev razporeditve atomov v materialu se običajno analizirajo položaji in intenzitete teh svetlih obročev.

Z uporabo novih matematičnih tehnik, ki so bolj občutljive na šibke (dim) razpršene rentgenske žarke, bi lahko raziskovalci določili spremembe v postavitvi določenih atomov v kristalni strukturi materiala. Z drugimi besedami, raziskovalci bi lahko "videli", kako so se atomi premikali med seboj glede na električno polje.

"Dobra analogija bi bila, da je analiza svetlih obročev podobna pregledu nebotičnika od daleč in ugotavljanju, da je vsaka pisarna 500 kvadratnih metrov. Vendar pa lahko tudi z analizo šibkih rentgenskih žarkov, razpršenih iz vzorca, ugotovimo, da nekatere pisarne 400 kvadratnih metrov, drugi 600 kvadratnih metrov, nekateri pa imajo mizo na vzhodni strani, drugi pa mizo na severni strani, «pravi Usher. To je neobičajen pristop, saj eksperimentatorji običajno ocenjujejo le svetle prstane.

"Kar je resnično novo, je ta, da je ta tehnika veliko bolj občutljiva na obnašanje izbranih atomov glede na njihove sosednje atome, namesto da gleda na povprečje vseh atomov v vzorcu," pravi Jacob Jones, profesor materialne znanosti in inženirstvo v državi NC in avtorja prispevka.

Delo uporablja tehniko, imenovano funkcija porazdelitve parov, ki omogoča raziskovalcem, da pridobijo informacije o tem, kako so atomi razporejeni na izredno majhnih dolžinskih lestvicah, ki temeljijo na šibki X-žarki razpršene iz vzorca. Raziskovalci so za to študijo ocenili tri različne dielektrične materiale.

"Ena izmed zanimivih ugotovitev je, da so vsi trije dielektrični materiali, ki smo jih testirali, pokazali zelo različno vedenje na atomski ravni - ni bilo nobenega posameznega atomskega obnašanja, ki bi upošteval dielektrične lastnosti v materialih," pravi Jones.

Na primer, raziskovalci so preizkusili material, imenovan titanat natrijev bizmut - netoksičen material, za katerega velja, da je obetaven za uporabo v dielektričnih napravah. V odsotnosti električnega polja so raziskovalci vedeli, da so bizmutovi ioni zunaj središča glede na sosednje atome. Toda različni bizmutovi ioni bi bili izven centra v različnih smereh. Vendar, ko se uporabi električno polje, se skoraj vsi bizmutovi ioni premaknejo, tako da so izven centra v isti smeri kot električno polje.

"Nobeden od drugih dielektričnih materialov ni pokazal podobnega obnašanja," pravi Usher. "Eno od naših vprašanj za prihodnje delo je, ali je vedenje bizmuta, ki smo ga videli v natrijevem bizmutu, enakovredno med bizmutovskimi dielektriki."

"Prav tako želimo vedeti, kako se dielektrični materiali in drugi kompleksni materiali, kot so visoko entropijske zlitine, obdržijo na atomski skali, ko so pod mehanskim stresom," pravi Jones.

Prispevek "Lokalne in mezoskalne strukturne spremembe v polikristalnem dielektriku in feroelektriki, inducirane z električnim poljem" bo objavljen na spletu 1. oktobra v reviji Nature. Znanstvena poročila . Prispevek so soavtorirali Igor Levin iz NIST in John E. Daniels iz UNSW Australia. Delo je podprlo Ministrstvo za trgovino pod št. 70NANB13H197, ameriški oddelek vojske pod št. W911NF-09-1-0435 in Nacionalna znanstvena fundacija pod št. DMR 0843934.