Newswise — В электронных технологиях ключевые свойства материалов изменяются в ответ на такие стимулы, как напряжение или ток. Ученые стремятся понять эти изменения с точки зрения структуры материала на наноуровне (несколько атомов) и микромасштабе (толщина листа бумаги). Часто игнорируется промежуточная область, мезомасштаб, охватывающий от 10 миллиардных до 1 миллионной метра.

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) в сотрудничестве с Университетом Райса и Национальной лабораторией Лоуренса Беркли Министерства энергетики США добились значительных успехов в понимании мезомасштабных свойств сегнетоэлектрического материала в электрическом поле. Этот прорыв таит в себе потенциал для развития компьютерной памяти, лазеров для научных инструментов и датчиков для сверхточных измерений.

Сегнетоэлектрик представляет собой оксид, содержащий сложную смесь свинца, магния, ниобия и титана. Ученые называют этот материал релаксорным сегнетоэлектриком. Он характеризуется крошечными парами положительных и отрицательных зарядов или диполей, которые группируются в кластеры, называемые «полярными нанодоменами». Под действием электрического поля эти диполи выравниваются в одном направлении, заставляя материал менять форму или деформироваться. Точно так же приложение деформации может изменить направление диполя, создавая электрическое поле.

«Если вы анализируете материал на наноуровне, вы узнаете только среднюю атомную структуру в пределах сверхмалой области», — сказал Юэ Цао, физик из Аргонна. «Но материалы не обязательно однородны и не во всех частях одинаково реагируют на электрическое поле. Именно здесь мезоуровень может нарисовать более полную картину, соединяющую нано- и микроуровень».

Полнофункциональное устройство на основе релаксорного сегнетоэлектрика было изготовлено группой профессора Лейна Мартина в Университете Райса для тестирования материала в рабочих условиях. Его основным компонентом является тонкая пленка (55 нанометров) релаксорного сегнетоэлектрика, зажатая между наноразмерными слоями, которые служат электродами для приложения напряжения и генерации электрического поля.

Используя лучи в секторах 26-ID и 33-ID Аргоннского усовершенствованного источника фотонов (APS), члены аргоннской команды нанесли на карту мезомасштабные структуры внутри релаксора. Ключом к успеху этого эксперимента стала специализированная возможность, называемая когерентной рентгеновской нанодифракцией, доступная через нанозонд жесткого рентгеновского излучения (Beamline 26-ID), управляемый Центром наноразмерных материалов в Аргонне и APS. Оба являются объектами пользователя Управления науки Министерства энергетики США.

Результаты показали, что под действием электрического поля нанодомены самоорганизуются в мезомасштабные структуры, состоящие из диполей, которые выстраиваются в сложную плитку (см. изображение). Команда определила места деформации вдоль границ этого рисунка и области, сильнее реагирующие на электрическое поле.

«Эти субмикромасштабные структуры представляют собой новую форму самосборки нанодоменов, не известную ранее», — отметил Джон Митчелл, почетный научный сотрудник Аргонна. «Удивительно, но мы смогли проследить их происхождение вплоть до лежащих в основе наномасштабных движений атомов; это фантастика!»

«Наше понимание мезомасштабных структур обеспечивает новый подход к проектированию электромеханических устройств меньшего размера, которые работают способами, которые считались невозможными», — сказал Мартин.

«Более яркие и когерентные рентгеновские лучи, которые теперь возможны благодаря недавней модернизации APS, позволят нам продолжать совершенствовать наше устройство», — сказал Хао Чжэн, ведущий автор исследования и научный сотрудник APS. «Затем мы сможем оценить, применимо ли устройство для энергоэффективной микроэлектроники, такой как нейроморфные вычисления, смоделированные на человеческом мозге». Маломощная микроэлектроника необходима для удовлетворения постоянно растущих потребностей в мощности электронных устройств по всему миру, включая сотовые телефоны, настольные компьютеры и суперкомпьютеры.

Об этом исследовании сообщает журнал Science. Помимо Цао, Мартина, Митчелла и Чжэна, в число авторов входят Тао Чжоу, Дина Шейфер, Джиун Ким, Джиюб Ким, Трэвис Фрейзер, Чжунхоу Цай, Мартин Холт и Чжан Чжан.

Финансирование исследования поступило от Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики и Национального научного фонда.

О Аргоннском центре наноразмерных материалов
Центр наноразмерных материалов является одним из пяти центров наномасштабных научных исследований Министерства энергетики США, ведущих национальных пользовательских центров для междисциплинарных исследований в наномасштабе, поддерживаемых Управлением науки Министерства энергетики США. Вместе NSRC представляют собой набор дополнительных объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, определения характеристик и моделирования наноразмерных материалов и представляют собой крупнейшую инфраструктурную инвестицию Национальной нанотехнологической инициативы. NSRC расположены в национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренсе-Беркли, Ок-Ридже, Сандиа и Лос-Аламосе. Для получения дополнительной информации о NSRC DOE посетите https://​sci​ence​.osti​.gov/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​ i​e​/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​i​e​s​-​a​t​-​a​-​ Взгляд.

О усовершенствованном источнике фотонов

Усовершенствованный источник фотонов (APS) Управления науки Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных в мире источников рентгеновского излучения. APS обеспечивает рентгеновские лучи высокой яркости разнообразному сообществу исследователей в области материаловедения, химии, физики конденсированного состояния, наук о жизни и окружающей среде, а также прикладных исследований. Эти рентгеновские лучи идеально подходят для исследования материалов и биологических структур; распределение элементов; химические, магнитные, электронные состояния; и широкий спектр технологически важных инженерных систем, от аккумуляторов до топливных форсунок, которые являются основой экономического, технологического и физического благополучия нашей страны. Ежегодно более 5000 исследователей используют APS для создания более 2000 публикаций с подробным описанием важных открытий и решения более важных биологических белковых структур, чем пользователи любого другого исследовательского центра рентгеновского излучения. Ученые и инженеры APS разрабатывают инновационные технологии, лежащие в основе развития ускорителей и источников света. Сюда входят вводные устройства, которые производят рентгеновские лучи чрезвычайной яркости, которые ценятся исследователями, линзы, фокусирующие рентгеновские лучи до нескольких нанометров, приборы, которые максимально увеличивают взаимодействие рентгеновских лучей с исследуемыми образцами, а также программное обеспечение, которое собирает и управляет огромным количеством данных, полученных в результате исследований в APS.

В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source, пользовательского объекта Управления науки Министерства энергетики США, управляемого для Управления науки Министерства энергетики Аргоннской национальной лабораторией по контракту № DE-AC02-06CH11357.

Аргоннская национальная лаборатория ищет решения актуальных национальных проблем в области науки и техники, проводя передовые фундаментальные и прикладные исследования практически во всех научных дисциплинах. Аргонн управляется компанией UChicago Argonne, LLC для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.