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Relaxor ferroelectrics:放松打破它

2019-03-21 12:07:56来源:

固体的性质取决于其原子的排列,其形成周期性晶体结构。在纳米尺度上,破坏这种周期性结构的布置可以极大地改变材料的行为,但这很难测量。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家们最近的进展正在开始解开这个谜团。

利用最先进的中子和同步辐射X射线散射,阿贡科学家及其合作者正在帮助解答长期存在的问题,这些问题涉及一种技术上重要的材料,称为弛豫铁电体,通常以铅为基础。这些材料具有机械和电气特性,可用于声纳和超声等应用。科学家越了解弛豫铁电体的内部结构,我们就可以为这些和其他应用开发更好的材料。

弛豫铁电体的介电常数表示它们在电场中存储能量的能力,它对场的频率具有不寻常的依赖性。它的起源长期以来一直是科学家们的一个谜。弛豫铁电体也可具有极高的压电性能,这意味着当机械应变时它们产生内部电场,或相反地,它们在外部电场的存在下膨胀或收缩。这些特性使弛豫铁电体可用于必须在机械和电之间转换能量的技术。

由于铅是有毒的,科学家们正在尝试开发非铅基材料,其性能甚至优于铅基铁电体。为了开发这些材料,科学家首先试图揭示弛豫铁电体晶体结构的哪些方面导致其独特的性质。尽管该结构平均有序且可预测,但是在该局部或纳米级别上可能发生与该顺序的偏差。这些在整体结构的长程对称性中的断裂在确定材料的性质中起着至关重要的作用。

“我们非常了解远程秩序,但是对于这个实验,我们开发了研究当地秩序的新工具和方法,”Argonne资深物理学家Stephan Rosenkranz说。

来自Argonne和国家标准与技术研究院的科学家及其合作者研究了一系列具有不同本地订单的铅基铁电体,因此具有不同的性质。使用由Argonne科学家设计的新仪器能够提供比以前仪器更大更详细的测量,研究小组研究了材料的漫散射,或者结构中的局部偏差如何影响更有序的散射模式。

以前的研究人员已经确定了一种具有蝴蝶形状的漫散射图案,并将其与弛豫铁电体的异常介电特性联系起来。然而,当阿贡科学家分析他们的实验数据时,他们发现蝴蝶形散射与压电行为密切相关。

“现在我们可以考虑哪种局部的顺序会导致这种蝴蝶散射,我们怎样才能设计出具有相同结构特征的材料,从而产生这种效果,”阿贡物理学家Danny Phelan说。

至于异常介电特性的真正原因,科学家们提出它是由相互作用导致材料“挫折”的相互作用产生的。

这一新发现源于科学家们对中子散射和X射线散射的使用。“使用这两种技术具有无可估量的互补性,”费伦说。“使用其中一个并不能全面了解情况。”

科学家们将利用这些发现来通知用于开发新材料的弛豫铁电体模型。未来的实验将进一步阐明当地秩序与材料特性之间的关系。

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