研究人员测量特定原子在介电材料中的移动方式
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来自北卡罗来纳州立大学的研究人员，国家标准和技术研究所（NIST），UNSW澳大利亚在暴露于电场时测量了介电材料中的特定原子的行为。该工作进展了我们对介电材料的理解，这些材料用于各种应用 - 从手持电子设备到除颤器。
“介电材料是可以存储和管理电荷的绝缘体。但我们尚未直接测量原子如何在介电材料中移动，以便存放该费用，“泰迪 - 玛丽·埃尔赫说，博士说。基于NC州的材料科学与工程候选人，并在工作中的纸张主导作者。
为了弄清这个问题的真相，研究人员对一种介质材料施加电压，产生一个电场。他们同时用来自阿贡国家实验室的同步加速器的x射线轰击这种材料先进的光子源。当X射线撞到材料时，它们分散到明亮的环形图案中。通常，为了弄清换原子中的原子的布置，分析了这些明亮环的位置和强度。
然而，通过应用对弱(昏暗)散射x射线更敏感的新数学技术，研究人员可以确定材料晶体结构中特定原子的位置变化。换句话说，研究人员可以“看到”原子如何在电场的作用下相互相对移动。
一个很好的类比是，分析明亮的环就像从远处检查一座摩天大楼，并确定每一间办公室都有500平方英尺。然而，通过分析从样本中散射出来的弱x射线，我们可以确定一些办公室是400平方英尺，另一些是600平方英尺，一些办公室的办公桌在东边，另一些办公室的办公桌在北边，”亚瑟说。这是一个不常见的方法，因为实验者通常只评估亮环。
“What’s really new here is that this technique is much more sensitive to the behavior of select atoms relative to their neighboring atoms, rather than looking at an average of all the atoms in a sample,” says Jacob Jones, a professor of materials science and engineering at NC State and corresponding author of the paper.
这项工作使用了一种被称为成对分布函数的技术，它允许研究人员根据从样本衍射出的弱强度x射线，提取出关于原子在极短长度尺度上是如何排列的信息。研究人员为这项研究评估了三种不同的介电材料。
“这里的一个有趣调查结果是我们测试的三种介电材料中的每一个在原子水平上表现出非常不同的行为 - 没有单一的原子行为占整个材料的介电性能，”琼斯说。
例如，研究人员测试了一种被称为钛酸铋钠的材料——一种无毒材料，被认为在介电器件中很有应用前景。在没有电场的情况下，研究人员知道铋离子相对于邻近的原子是偏离中心的。但不同的铋离子偏离中心的方向不同。然而，当施加一个电场时，几乎所有的铋离子都会移动，所以它们会偏离中心，与电场方向一致。
“其他介电材料都没有表现出类似的行为，”Usher说。“我们未来工作的一个问题是，我们在钛酸铋钠中看到的铋行为在铋基介质中是否一致。”
琼斯说:“我们还想知道介电材料和其他复杂材料，如高熵合金，在机械应力作用下在原子尺度下的行为。”
纸”,电场诱导的多晶电介质和铁电体局部和介尺度结构变化，“于10月1日在线发布自然杂志科学报告。本文是由NIST的Igor Levin和Unsw澳大利亚的John E. Daniels合作。该作品得到了根据授予编号W911NF-09-1--0435的“美国军队”的授予号码70纳纳巴13197的商业部门和“国家科学基金会”的支持。
希普曼-
编辑:研究摘要如下。
“电场诱导的局部和Mescle在多晶电介质和铁电器中的结构变化”
作者:特迪-玛丽·亚瑟和雅各布·l·琼斯，北卡罗莱纳州立大学;美国国家标准与技术研究所的Igor Levin;约翰·丹尼尔斯，澳大利亚新南威尔士大学
发表: 10月1日,科学报告
DOI: 10.1038 / srep14678
文摘:电介质/铁电体对电场的原子尺度响应是其功能的核心。这里我们介绍一个原位揭示田地局部原子结构中局部原子结构变化的特征方法。该方法采用原子对分布函数（PDF），从X射线总散射确定，这取决于相对于所施加的场的取向，以探测来自Sub-Ångstrom到几纳米的长度尺度的结构变化。PDF对局部离子位移及其短距离，相对于其他技术的关键唯一性敏感。该方法适用于代表性的铁电，Batio3.和钠½Bi½TiO3.，介电srtio3.。对于NA.½Bi½TiO3.，结果揭示了突然的野外型单斜晶型到菱形相转变，伴随着局部双位移的排序和纳米级铁电域的重新定向。适用于Batio.3.和srtio.3.结果表明，PDFs的局部/纳米级结构变化主要受压电晶格应变和离子极化率的影响。
