Учёные совершили прорыв в понимании свойств материала в форме тонкой плёнки, который может изменить форму под действием напряжения и наоборот. Этот материал, называемый релаксорным сегнетоэлектриком, содержит сложную смесь свинца, магния, ниобия и титана. Уникальные свойства позволяют использовать его в различных технологиях, включая компьютерную память, лазеры для научных приборов и датчики для сверхточных измерений.
До сих пор исследователи изучали изменения свойств материалов в нано- и микромасштабе, игнорируя мезоскопический масштаб, который охватывает от 10 миллиардных до 1 миллионной доли метра. Однако, команда учёных из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Университета Райса и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли DOE смогла определить мезомасштабные свойства релаксорного сегнетоэлектрика под действием электрического поля.
Релаксорный сегнетоэлектрик характеризуется крошечными парами положительных и отрицательных зарядов, или диполей, которые группируются в кластеры, называемые «полярными нанодоменами». Под действием электрического поля эти диполи выстраиваются в одном направлении, заставляя материал менять форму или деформироваться. Аналогично, приложение деформации может изменить направление диполя, создавая электрическое поле.
Используя возможность, называемую когерентной рентгеновской нанодифракцией, доступную через жесткий рентгеновский нанозонд в Аргоннской национальной лаборатории, учёные смогли составить карту мезомасштабных структур внутри релаксора. Результаты показали, что под действием электрического поля нанодомены самоорганизуются в мезомасштабные структуры, состоящие из диполей, которые выстраиваются в сложный узор, похожий на плитку. Команда определила места деформации вдоль границ этого узора и области, сильнее реагирующие на электрическое поле.
«Эти субмикромасштабные структуры представляют собой новую форму самосборки нанодоменов, ранее не известную. Удивительно, но мы смогли проследить их происхождение вплоть до базовых наномасштабных атомных движений, это фантастика!», — отметил Джон Митчелл, почётный член Аргоннского университета.
Понимание мезомасштабных структур открывает новый подход к проектированию более мелких электромеханических устройств, которые работают способами, которые раньше считались невозможными. Более яркие и когерентные рентгеновские лучи, которые теперь возможны благодаря недавнему обновлению APS, позволят учёным продолжить совершенствовать устройство и оценить его применение в энергоэффективной микроэлектронике, например, в нейроморфных вычислениях, смоделированных на основе человеческого мозга.