薄膜的小型化揭示了弛豫铁电体中的“金发姑娘区”

莱斯大学材料科学家Lane Martin领导的一项新研究揭示了薄膜的极端小型化如何影响弛豫铁电体的行为——弛豫铁电材料具有值得注意的能量转换特性，用于传感器、致动器和纳米电子学。研究结果表明，随着薄膜收缩到与材料内部极化结构相当的尺寸，它们的基本性质可能会以意想不到的方式发生变化

发表在《自然纳米技术》上的这项研究的重点是铌酸铅镁钛酸铅，或PMN-PT，这是一种广泛使用的陶瓷材料，应用范围从医学成像（超声波）和能量采集到气体传感器等

在探索PMN-PT的内部极化结构如何在微小尺度上演变和作用的过程中，研究人员发现了一个惊人的发现：在失去其特殊能力之前，这种材料实际上得到了改善。这个意想不到的“甜蜜点”可能会为新一代纳米电子设备打开大门

作为铁电弛豫剂，PMN-PT擅长将能量从一种形式转换为另一种形式。例如，按压这种材料的薄膜会产生电压，而向其施加外部电压会使其改变形状。在原子水平上，它的结构由负原子和正原子组成，它们可以相对移动以产生局部偶极子。这些偶极子在材料上的排列并不均匀；相反，它们受到相互竞争的能量的影响——一种是希望它们随机指向，另一种是想让它们对准同一个方向

结果是材料分解成极性纳米结构域——不比小病毒大的微小簇，其中所有偶极子都指向大致相同的方向

“由于材料的化学复杂性和这些区域的大小，材料内部极化的这些自组装结构对外部刺激具有高度反应性——在最小的情况下，PMN-PT纳米结构域只有5-10纳米，”韩国高级科学技术研究所助理教授、该研究的第一作者Jieun Kim说。“没有人真正知道如果我们将整个材料缩小到它们的尺寸会发生什么。”

了解材料在微小尺度上的行为对于推进小型化电子产品和其他应用至关重要。随着器件的缩小，它们需要PMN-PT等超薄材料薄膜，但金说，在非常小的长度尺度上绘制弛豫剂物理的详细研究“以前从未做过”

“我们假设，随着PMN-PT薄膜变薄，它们的极性纳米畴会随着材料的理想性能而收缩并最终消失，”Robert A.Welch材料科学与纳米工程教授、Rice先进材料研究所所长Martin说。“这项研究证实了这一预期，但我们也发现了一些意想不到的事情。”

当PMN-PT缩小到25-30纳米的精确范围时，它的表现实际上更好，大约是人类头发的10000倍。在这种规模下，材料的相稳定性——在不同条件下保持其结构和功能的能力——得到了显著增强

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

为了发现这种隐藏的行为，研究人员使用了一些世界上最先进的科学工具。在阿贡国家实验室的先进光子源，研究人员向材料发射了超亮的X射线束，以探测其原子结构。这种技术被称为基于同步加速器的X射线衍射，使他们能够观察到随着材料变薄，纳米畴是如何演变的

“我们将这些发现与我们在实验室中进行的介电性能测量相关联，并使用扫描透射电子显微镜以原子级分辨率绘制极化图来完善图片，”Kim说，他四年前作为加州大学伯克利分校Martin的博士生开始了这个项目。“对于最薄的薄膜，我们还进行了分子动力学模拟——基本上是在计算机中重建薄膜——以研究极性纳米结构域的结构演变。”

这些方法共同提供了迄今为止PMN-PT在纳米尺度上的行为的最详细图像。虽然许多材料在制造得非常小时会失去其有用的性能，但PMN-PT表现出研究人员所谓的“金发姑娘区”尺寸效应，在这种效应中，其性能在最终恶化之前实际上会得到改善。了解这种效应可以为纳米机电系统、电容式储能（脉冲功率）、热电能量转换、低压磁电等先进应用铺平道路

接下来，研究人员计划探索如何堆叠PMN-PT和类似材料的超薄层——比如构建不同功能层的“煎饼堆”——可以创造出具有自然界中不存在的特性的全新材料。这些工程材料可以彻底改变能量收集、低功耗计算和下一代传感器

金说：“现在我们知道我们可以制造更小更好的设备。” More information: Jieun Kim et al, Size-driven phase evolution in ultrathin relaxor films, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01863-x

Journal information: Nature Nanotechnology