Die Forscher messen, wie sich bestimmte Atome in dielektrischen Materialien bewegen | 2020

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Anonim

"Dielektrische Materialien sind Isolatoren, die elektrische Ladung speichern und verwalten können. Wir hatten jedoch noch nicht direkt gemessen, wie sich Atome in dielektrischen Materialien bewegen, um diese Ladung zu speichern", sagt Tedi-Marie Usher, Ph.D. Kandidat für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik am NC State und Hauptautor einer Arbeit.

Um diesem Problem auf den Grund zu gehen, legten die Forscher Spannung an ein dielektrisches Material an und erzeugten ein elektrisches Feld. Gleichzeitig bombardierten sie das Material mit Röntgenstrahlen von einem Synchrotron der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory. Wenn die Röntgenstrahlen auf das Material treffen, streuen sie sich in ein Muster aus hellen Ringen. Um die Anordnung der Atome in einem Material zu bestimmen, werden typischerweise die Positionen und Intensitäten dieser hellen Ringe analysiert.

Durch die Anwendung neuer mathematischer Techniken, die empfindlicher auf die schwachen (schwach) gestreuten Röntgenstrahlen reagieren, könnten die Forscher Veränderungen in der Anordnung bestimmter Atome innerhalb der Kristallstruktur des Materials feststellen. Mit anderen Worten, die Forscher konnten "sehen", wie sich die Atome als Reaktion auf das elektrische Feld relativ zueinander bewegten.

"Eine gute Analogie wäre, die hellen Ringe zu analysieren, als würde man einen Wolkenkratzer von weitem untersuchen und feststellen, dass jedes Büro eine Fläche von 500 Quadratfuß hat. Indem wir jedoch auch die schwachen Röntgenstrahlen analysieren, die von der Probe gestreut werden, können wir feststellen, dass einige Büros sind 400 Quadratmeter groß und andere sind 600 Quadratmeter groß, und einige haben den Schreibtisch auf der Ostseite und andere haben den Schreibtisch auf der Nordseite ", sagt Usher. Dies ist ein ungewöhnlicher Ansatz, da Experimentatoren in der Regel nur die hellen Ringe bewerten.

"Was hier wirklich neu ist, ist, dass diese Technik viel empfindlicher auf das Verhalten ausgewählter Atome im Verhältnis zu ihren Nachbaratomen reagiert, als einen Durchschnitt aller Atome in einer Probe zu betrachten", sagt Jacob Jones, Professor für Materialwissenschaften und Engineering bei NC State und korrespondierender Autor des Papers.

Die Arbeit verwendet eine Technik, die als Paarverteilungsfunktion bezeichnet wird und es Forschern ermöglicht, Informationen darüber zu extrahieren, wie Atome auf extrem kleinen Längenskalen angeordnet sind, basierend auf den Röntgenstrahlen mit schwacher Intensität, die von einer Probe gebeugt werden. Die Forscher bewerteten drei verschiedene dielektrische Materialien für diese Studie.

"Eine der interessanten Erkenntnisse ist, dass jedes der drei getesteten dielektrischen Materialien auf atomarer Ebene ein sehr unterschiedliches Verhalten aufwies - es gab kein einzelnes atomares Verhalten, das für die dielektrischen Eigenschaften der Materialien verantwortlich war", sagt Jones.

Zum Beispiel testeten die Forscher ein Material namens Natriumbismuttitanat - ein ungiftiges Material, das für den Einsatz in dielektrischen Bauelementen als vielversprechend angesehen wird. In Abwesenheit eines elektrischen Feldes wussten die Forscher, dass die Wismutionen relativ zu benachbarten Atomen außermittig sind. Verschiedene Wismutionen wären jedoch in verschiedenen Richtungen außermittig. Wenn jedoch ein elektrisches Feld angelegt wird, verschieben sich praktisch alle Wismutionen so, dass sie in der gleichen Richtung wie das elektrische Feld außermittig sind.

"Keines der anderen dielektrischen Materialien zeigte ein ähnliches Verhalten", sagt Usher. "Eine unserer Fragen für die zukünftige Arbeit ist, ob das Wismutverhalten, das wir in Natriumwismuttitanat gesehen haben, für Wismut-basierte Dielektrika konsistent ist."

"Wir wollen auch wissen, wie sich dielektrische Materialien und andere komplexe Materialien wie hochentropische Legierungen unter mechanischer Belastung auf atomarer Ebene verhalten", sagt Jones.

Der Artikel "Elektrofeld-induzierte lokale und mesoskalige Strukturveränderungen in polykristallinen Dielektrika und Ferroelektrika" wird am 1. Oktober im Nature Journal online veröffentlicht Wissenschaftliche Berichte . Das Papier wurde von Igor Levin von NIST und John E. Daniels von UNSW Australia gemeinsam verfasst. Die Arbeit wurde vom Handelsministerium unter der Grant-Nummer 70NANB13H197, dem US-amerikanischen Department of the Army unter der Grant-Nummer W911NF-09-1-0435 und der National Science Foundation unter der Grant-Nummer DMR 0843934 unterstützt.