一種被廣泛使用的材料，終于顯露出隱藏的原子結(jié)構(gòu)

弛豫鐵電體是鐵電材料中的一個特殊類別。幾十年來，這類材料一直被用于超聲、麥克風和聲吶系統(tǒng)等技術(shù)中。它們獨特的性質(zhì)來自其原子結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)一直難以被直接測量。一種常見的研究方法是把實驗結(jié)果和理論模擬進行比較。但問題在于，兩者看到的尺度和信息不同：實驗往往會對材料內(nèi)部的不均勻性進行平均處理，而理論則提供的是原子尺度的圖景。

為了解決克服這一難題，一個研究團隊利用一種名為多層電子疊層成像（MEP）的新興技術(shù)，首次對一種典型的弛豫鐵電材料的三維原子結(jié)構(gòu)和化學組成進行了直接表征。研究人員發(fā)現(xiàn)，實驗中觀察到的化學無序，此前并沒有被在模型中被充分考慮。他們將實驗觀察與模擬結(jié)合起來，改進了模型，進而更好地預測了在實驗中看到的現(xiàn)象。

研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表于近期的《科學》雜志。

探測無序材料

關(guān)于弛豫鐵電體的主流模擬顯示，當施加電場時，弛豫鐵電材料的不同納米區(qū)域中帶正電和帶負電的原子之間的相互作用，有助于產(chǎn)生出色的儲能和傳感能力。然而，到目前為止，這些納米區(qū)域的細節(jié)一直無法被直接測量。

在新的研究中，研究人員研究了一種用于傳感器、致動器和防御系統(tǒng)的弛豫鐵電材料——鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛合金。他們采用的是多層電子疊層成像技術(shù)，在這一技術(shù)中，研究人員會讓一個納米尺度的高能電子探針掃過材料，并測量由此產(chǎn)生的電子衍射圖樣。

研究人員利用一種名為多層電子疊層成像（MEP）的技術(shù)，讓一個納米尺度的電子探針掃過材料，并測量了由此產(chǎn)生的電子衍射圖樣。不同掃描區(qū)域之間的重疊部分，可用于生成材料的原子結(jié)構(gòu)的三維掃描圖像。（圖/Zhu et al. via MIT News）

他們以連續(xù)掃描的方式進行測量，并在每一個位置采集一個衍射圖樣。這樣就會形成彼此重疊的區(qū)域，而這些重疊區(qū)域包含足夠的信息，就可以通過算法迭代重建出關(guān)于樣品和電子波函數(shù)的三維信息。如此一來，他們利用這項技術(shù)揭示出了一種從原子尺度延伸到介觀尺度的化學結(jié)構(gòu)和極性結(jié)構(gòu)層級。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，材料中許多具有不同極化狀態(tài)的區(qū)域，比主流模擬預測的要小得多。隨后，研究人員將新的數(shù)據(jù)反饋到計算機模擬中，并改進模型，使其能夠更好地反映不同條件下的實驗發(fā)現(xiàn)。此前，這些模型基本上只是包含一些隨機的極化區(qū)域，但它們并無法透露這些區(qū)域之間是如何相互關(guān)聯(lián)的。

現(xiàn)在，研究人員能夠給出這方面的信息，也能夠看到不同化學組分如何根據(jù)原子的電荷狀態(tài)來調(diào)控極化。

邁向更好的材料

這是首次在電子顯微鏡下，將弛豫鐵電體的三維極性結(jié)構(gòu)與分子動力學計算直接聯(lián)系起來。它進一步證明，利用多層電子疊層成像技術(shù)可以從樣品中獲得三維信息。這項研究展示了電子疊層成像在研究復雜材料方面的潛力，并為復雜無序材料研究開辟了新的方向。

研究人員還認為，這項研究為改進相關(guān)模型提供了一個框架，有朝一日或?qū)椭茖W家設(shè)計出具有先進電子行為的材料，用于改進一系列存儲、傳感和能源技術(shù)。

此外，隨著AI的進步以及計算工具變得更加先進，材料科學正在把更多復雜性納入材料設(shè)計過程之中——無論對象是金屬合金還是半導體。但如果模型不夠準確，而且又沒有辦法驗證它們，那就是‘垃圾進，垃圾出’。這項技術(shù)幫助我們理解材料為什么會表現(xiàn)出這樣的行為，并驗證我們的模型。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/hidden-structure-behind-widely-used-class-materials-0430

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads6023

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/relaxor-ferroelectrics

#圖片來源：

封面圖&首圖：Zhu et al. via MIT News