Relaxor ferroelektrikler olarak adlandırılan malzemeler, ultrasonlar, mikrofonlar ve sonar sistemleri gibi teknolojilerde on yıllardır kullanılmaktadır. Bu benzersiz özellikler, atomik yapıdan kaynaklanmaktadır, ancak bu yapı doğrudan ölçümle ısrarla kaçmıştır.
Şimdi MIT ve diğer yerlerden bir araştırmacı ekibi, bir relaxor ferroelektriğin üç boyutlu atomik yapısını ilk kez doğrudan karakterize etti. Bugün Science'da bildirilen bulgular, sonraki nesil bilgisayar, enerji ve algılama cihazlarını tasarlamak için kullanılan modellerin geliştirilmesi için bir çerçeve sunmaktadır.
“Artık ne olduğunu daha iyi anladığımıza göre, malzemelerin ulaşmasını istediğimiz özellikleri daha iyi tahmin edebilir ve mühendislik yapabiliriz,” diyor makalenin sorumlu yazarı James LeBeau, MIT'nin Kyocera Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü. “Araştırma topluluğu bu malzemeleri mühendislik etmek için hâlâ yöntemler geliştiriyor, ancak bu malzemelerin sahip olacağı özellikleri tahmin etmek için modelinizin doğru olup olmadığını bilmeniz gerekiyor.”
Makalesinde, araştırmacılar, malzemedeki elektrik yüklerinin dağılımını ortaya çıkarmak için yeni bir teknik kullandıklarını ve bunun şaşırtıcı bir sonuç doğurduğunu açıklıyorlar.
“Deneylerimizde gözlemlediğimiz kimyasal düzensizliğin daha önce tam olarak dikkate alınmadığını fark ettik,” diyor birinci yazarlar Michael Xu PhD ’25 ve Menglin Zhu, her ikisi de MIT'de doktora sonrası araştırmacıdır. “İşbirlikçilerimizle çalışarak, deneysel gözlemleri simülasyonlarla birleştirebildik, böylece modelleri geliştirdik ve deneylerde gördüğümüzü daha iyi tahmin edebildik.”
Zhu, Xu ve LeBeau'ya makalede, malzeme bilimi ve mühendisliği alanında MIT doktora öğrencileri Colin Gilgenbach ve Bridget R. Denzer; Birmingham'daki Alabama Üniversitesi'nde yardımcı doçent Yubo Qi; Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nde yardımcı doçent Jieun Kim; Pennsylvania Üniversitesi'nde eski bir doktora öğrencisi Jiahao Zhang; Rice Üniversitesi'nde profesör Lane W. Martin; ve Pennsylvania Üniversitesi'nde profesör Andrew M. Rappe katılıyor.
Düzensiz malzemeleri araştırmak
Relaxor ferroelektriklerin simülasyonları, bir elektrik alanı uygulandığında, malzemenin farklı nano bölgelerindeki pozitif ve negatif yüklü atomların etkileşimlerinin olağanüstü enerji depolama ve algılama yeteneklerine yol açtığını önermektedir. Bu nano bölgelerin detayları bugüne kadar doğrudan ölçülmesi imkânsız olmuştur.
Araştırmacılar, Science makaleleri için, sensörler, aktüatörler ve savunma sistemlerinde kullanılan bir relaxor ferroelektrik malzemeyi incelediler; bu malzeme bir kurşun magnezyum niobat-kurşun titanat alaşımdır. Yüksek enerjili elektronlardan oluşan nanoskalada bir probu malzeme üzerinde hareket ettirip elde edilen elektron saçılma desenlerini ölçen çok katmanlı elektron ptychography (MEP) adı verilen yeni bir ölçüm tekniği kullandılar.
“Bunu ardışık bir şekilde yapıyoruz ve her pozisyonda bir saçılma deseni elde ediyoruz,” diye açıklıyor Zhu. “Bu, örtüşme bölgeleri oluşturur ve bu örtüşme, nesne ve elektron dalga fonksiyonu hakkında üç boyutlu bilgiyi iteratif olarak yeniden yapılandırmak için bir algoritma kullanmak için yeterli bilgiye sahiptir.”
Teknik, atomik ölçekten mezoskopik ölçeklere kadar uzanan kimyasal ve polar yapıların bir hiyerarşisini ortaya çıkardı. Araştırmacılar ayrıca, malzemedeki farklı polarizasyon bölgelerinin, önde gelen simülasyonların öngördüğünden çok daha küçük olduğunu buldular. Araştırmacılar, yeni verilerini bu bilgisayar simülasyonlarına geri besleyerek, farklı koşullar altında bulgularını daha iyi yansıtacak şekilde modelleri geliştirdiler.
“Daha önce, bu modeller temelde rastgele polarizasyon bölgelerine sahipti, ancak bu bölgelerin birbirleriyle nasıl ilişkilendiğini söylemiyordu,” diyor Xu. “Artık bu bilgiyi size verebiliriz ve bireysel kimyasal türlerin atomların yük durumuna bağlı olarak polarizasyonu nasıl modüle ettiğini görebiliriz.”
Daha iyi malzemelere doğru</
