Некоторые из самых чувствительных датчиков и медицинских устройств — от ультразвуковых сканеров до микрофонов и сонаров — функционируют благодаря особому классу материалов: релаксорам-сегнетоэлектрикам.
Характерная особенность таких материалов — необычное поведение, возникающее под воздействием электрического поля, что обеспечивает высокую чувствительность и способность накапливать энергию. Однако в основе этих свойств лежит крайне сложный беспорядок на атомном уровне, о котором ученые до сих пор имели лишь весьма приблизительные представления.
Теперь специалисты впервые смогли непосредственно «увидеть» трехмерную атомную структуру такого материала. Результаты нового исследования предоставляют гораздо более прочную основу для теоретических моделей, на которых базируется разработка будущих электронных, вычислительных и сенсорных устройств.
Профессор материаловедения MIT Джеймс ЛеБо с коллегами Майклом Сю и Менглин Чжу проанализировали широко используемый релаксор — твердый раствор свинцового магний-ниобата и свинцового титаната (PMN‑PT), который активно применяется в сенсорах, актуаторах и военной технике. Теоретически ученые уже давно предполагали, что необычные свойства этого материала связаны с наномасштабными областями с различной поляризацией — локальной «ориентацией» электрических диполей. Но никто не наблюдал эти области напрямую, а расчеты зачастую основывались на упрощенных или случайных схемах распределения зарядов.
Чтобы заглянуть внутрь материала, авторы исследования использовали передовую методику — многосрезовую электронную птихографию (multi-slice electron ptychography, MEP). Узкий пучок высокоэнергетических электронов последовательно сканирует образец, а на каждом этапе фиксируется дифракционная картина. Благодаря перекрытию соседних областей можно с помощью вычислительных алгоритмов восстановить не только структуру, но и форму волновой функции электронов в трех измерениях.
Таким образом, удалось выявить целую «иерархию» структур: от отдельных атомов и их локального химического окружения до более крупных областей с различной поляризацией. Выяснилось, что поляризованные домены и их комбинации имеют более сложное строение, чем предполагали предыдущие модели, а характерные размеры таких областей существенно меньше. Кроме того, были установлены четкие связи между конкретными ионами и тем, как они изменяют локальную поляризацию.
Сопоставив экспериментальные данные с вычислительными моделями, ученые смогли значительно улучшить соответствие расчетов с реальным поведением материала. Это имеет значение не только для релаксов-сегнетоэлектриков. Современное материаловедение все активнее использует сложные расчеты и методы искусственного интеллекта для создания новых сплавов, полупроводников и функциональных кристаллов. Однако без надежной верификации такие исследования теряют смысл.
Исследование также продемонстрировало потенциал птихографии как универсального инструмента для изучения сложных, частично упорядоченных систем. Возможность напрямую связывать структуру на уровне отдельных атомов с макроскопическими свойствами открывает путь к более точному инженерному контролю материи — от нанотехнологий до будущих квантовых устройств.
Фото: hi-tech.mail.ru