对纳米和微米尺度之间关系的研究可以为纳米技术铺平道路

在电子技术中，关键材料特性会随着电压或电流等刺激而变化。科学家们的目标是从纳米级（几个原子）和微米级（一张纸的厚度）的材料结构方面了解这些变化。通常被忽视的是中尺度之间的领域——跨度为100亿分之一米到100万分之一米

美国能源部阿贡国家实验室的科学家与莱斯大学和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室合作，在理解电场下铁电材料的中尺度特性方面取得了重大进展。这项研究发表在《科学》杂志上

这一突破具有在计算机内存、科学仪器激光器和超精确测量传感器方面取得进步的潜力

铁电材料是一种含有铅、镁、铌和钛的复杂混合物的氧化物。科学家们将这种材料称为弛豫铁电体。它的特征是微小的正负电荷对，或偶极子，组成称为“极性纳米畴”的簇。

在电场作用下，这些偶极子沿同一方向排列，导致材料改变形状或应变。同样，施加应变可以改变偶极子的方向，从而产生电场

“如果你在纳米尺度上分析一种材料，你只能了解超小区域内的平均原子结构，”阿贡国家实验室物理学家曹悦说。“但材料不一定是均匀的，也不一定对所有部分的电场都有相同的反应。这就是中尺度可以描绘出一幅更完整的画面，将纳米尺度连接到微米尺度的地方。”莱斯大学的Lane Martin教授的小组生产了一种基于弛豫铁电体的全功能器件，用于在操作条件下测试材料。其主要成分是夹在纳米级层之间的弛豫铁电薄膜（55纳米），该薄膜用作施加电压和产生电场的电极

使用阿贡先进光子源（APS）26-ID和33-ID扇区的光束线，阿贡团队成员绘制了弛豫器内的中尺度结构图

这项实验成功的关键是一种称为相干X射线纳米衍射的特殊能力，可通过阿贡国家实验室和APS纳米材料中心运营的硬X射线纳米探针（Beamline 26-ID）获得。两者都是美国能源部科学办公室的用户设施

结果表明，在电场作用下，纳米畴自组装成由偶极子组成的中尺度结构，这些偶极子以复杂的瓦片状排列。该团队确定了这种模式边界沿线的应变位置以及对电场反应更强烈的区域

“这些亚微米级结构代表了一种以前未知的纳米结构域自组装的新形式，”阿贡杰出研究员John Mitchell指出。“令人惊讶的是，我们可以将它们的起源一直追溯到潜在的纳米级原子运动……”

“我们对中尺度结构的见解为设计以人们认为不可能的方式工作的小型机电设备提供了一种新方法，”Martin说

该研究的主要作者、APS的束线科学家郝铮表示：“随着APS最近的升级，现在可能出现更明亮、更相干的X射线束，这将使我们能够继续改进我们的设备。”

“然后，我们可以评估该设备是否适用于节能微电子，例如模拟人脑的神经形态计算。”低功耗微电子对于满足世界各地电子设备（包括手机、台式电脑和超级计算机）日益增长的电力需求至关重要 More information: Hao Zheng et al, Heterogeneous field response of hierarchical polar laminates in relaxor ferroelectrics, Science (2024). DOI: 10.1126/science.ado4494

Journal information: Science