材料科学家揭示了设计具有特殊性能的光学材料的途径

虽然我们通常认为无序是一件坏事，但由圣路易斯华盛顿大学的Rohan Mishra和南加州大学的Jayakanth Ravichandran领导的一个材料科学研究小组已经揭示，当涉及到某些晶体时，一点点结构无序可能会对有用的光学特性产生重大影响

在《先进材料》杂志在线发表的一项研究中，第一作者、南加州大学材料科学研究生赵和华盛顿大学材料科学与工程研究所Mishra的研究生任国栋描述了一种从结构紊乱中获得新的光学和电子特性的新途径

他们发现只有几皮米的微小位移；这比一张纸的厚度小100000倍&mdash；在晶体的原子结构中，从一个方向看，对光学性质的影响最小，但从另一个角度看，会产生巨大的功能增强

在这种情况下，材料的折射率，或光穿过时弯曲或偏离其原始路径的程度，会随着原子无序而发生巨大变化

这种功能增强可以在成像、遥感甚至医学方面有实际应用。通过控制原子无序的程度以实现所需的光学特性，研究人员预计将开发出能够在弱光条件下进行高级红外成像的晶体，例如，提高夜间驾驶的自动驾驶汽车或医疗成像设备的性能

南加州大学Viterbi工程学院副教授、Philip和Cayley MacDonald早期职业主席Ravichandran表示：“我们多年来一直在研究半导体材料，逐渐在元素周期表中向下移动，寻找性能良好但也能做有趣或意想不到的事情的材料。”

“当我们开始寻找获得更多可调谐性的方法，即制作出最适合特定应用的材料时，我们发现从不同方向测量时，材料的性质会发生巨大变化。”

当材料在不同方向测量或观察时具有不同的性质或行为时，这就是所谓的各向异性。各向异性材料具有不同的特性，这取决于你如何看待它们，这可能会对特性产生巨大影响，包括光传输、机械行为和其他对相机等日常设备功能至关重要的物理或电学特性

该团队研究的材料，钡钛硫化物（BaTiS3），一种六方晶体，已知具有很大的光学各向异性，但科学家们无法找出原因。华盛顿大学、南加州大学和各个国家实验室的团队花了数年时间来回合作，但最终该团队破获了此案

“我们看到了理论和实验之间的巨大差异，即以不同的角度照射材料会导致光学性能的巨大差异。”；华盛顿大学McKelvey工程学院的材料科学

“关键是结构不稳定性，导致某些原子，在这种情况下是Ti原子，以无序的方式偏离更对称的位置。高分辨率同步加速器实验中出现了微小的各向异性位移，然后我们知道要用电子显微镜更仔细地观察原子结构。”

拉维昌兰补充道：“皮米级的位移非常小，只有当你专门寻找它们时，你才能找到它们。”

即使是尖端材料科学研究，通常也不需要这种精细的细节，因为光的振动速度如此之快，以至于可以消除材料中的局部缺陷。这次不行

Mishra和Ravichandran说，任和赵必须研究每一个假设和每一个理论，以找出如何解释理论和实验之间的不匹配，并指出只有通过合作才能解开这个谜

研究人员结合单晶X射线衍射、固态核磁共振和扫描透射电子显微镜等先进技术，发现了BaTiS3中钛原子各向异性原子位移的证据。这些令人难以置信的微小皮级位移发生在材料内的局部团簇中，但它们对全局光学性质产生了深远的影响

米什拉说：“关键是微小的位移会产生巨大的影响。”。“我们仍在探索温度等因素如何改变这种材料的光学特性，但通过这项研究，我们对结构紊乱和光学响应之间的关系有了深入的了解。这将有助于我们继续发现新的材料和功能。”