江蘇
弛豫鐵電體是鐵電材料中的一個特殊類別。幾十年來，這類材料一直被用于超聲、麥克風和聲吶系統等技術中。它們獨特的性質來自其原子結構，但這種結構一直難以被直接測量。一種常見的研究方法是把實驗結果和理論模擬進行比較。但問題在于，兩者看到的尺度和信息不同：實驗往往會對材料內部的不均勻性進行平均處理，而理論則提供的是原子尺度的圖景。
為了解決克服這一難題，一個研究團隊利用一種名為多層電子疊層成像（MEP）的新興技術，首次對一種典型的弛豫鐵電材料的三維原子結構和化學組成進行了直接表征。研究人員發現，實驗中觀察到的化學無序，此前并沒有被在模型中被充分考慮。他們將實驗觀察與模擬結合起來，改進了模型，進而更好地預測了在實驗中看到的現象。
研究結果已經發表于近期的《科學》雜志。
探測無序材料
關于弛豫鐵電體的主流模擬顯示，當施加電場時，弛豫鐵電材料的不同納米區域中帶正電和帶負電的原子之間的相互作用，有助于產生出色的儲能和傳感能力。然而，到目前為止，這些納米區域的細節一直無法被直接測量。
在新的研究中，研究人員研究了一種用于傳感器、致動器和防御系統的弛豫鐵電材料——鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛合金。他們采用的是多層電子疊層成像技術，在這一技術中，研究人員會讓一個納米尺度的高能電子探針掃過材料，并測量由此產生的電子衍射圖樣。
研究人員利用一種名為多層電子疊層成像（MEP）的技術，讓一個納米尺度的電子探針掃過材料，并測量了由此產生的電子衍射圖樣。不同掃描區域之間的重疊部分，可用于生成材料的原子結構的三維掃描圖像。（圖/Zhu et al. via MIT News）
他們以連續掃描的方式進行測量，并在每一個位置采集一個衍射圖樣。這樣就會形成彼此重疊的區域，而這些重疊區域包含足夠的信息，就可以通過算法迭代重建出關于樣品和電子波函數的三維信息。如此一來，他們利用這項技術揭示出了一種從原子尺度延伸到介觀尺度的化學結構和極性結構層級。
研究人員還發現，材料中許多具有不同極化狀態的區域，比主流模擬預測的要小得多。隨后，研究人員將新的數據反饋到計算機模擬中，并改進模型，使其能夠更好地反映不同條件下的實驗發現。此前，這些模型基本上只是包含一些隨機的極化區域，但它們并無法透露這些區域之間是如何相互關聯的。
現在，研究人員能夠給出這方面的信息，也能夠看到不同化學組分如何根據原子的電荷狀態來調控極化。
邁向更好的材料
這是首次在電子顯微鏡下，將弛豫鐵電體的三維極性結構與分子動力學計算直接聯系起來。它進一步證明，利用多層電子疊層成像技術可以從樣品中獲得三維信息。這項研究展示了電子疊層成像在研究復雜材料方面的潛力，并為復雜無序材料研究開辟了新的方向。
研究人員還認為，這項研究為改進相關模型提供了一個框架，有朝一日或將幫助科學家設計出具有先進電子行為的材料，用于改進一系列存儲、傳感和能源技術。
此外，隨著AI的進步以及計算工具變得更加先進，材料科學正在把更多復雜性納入材料設計過程之中——無論對象是金屬合金還是半導體。但如果模型不夠準確，而且又沒有辦法驗證它們，那就是‘垃圾進，垃圾出’。這項技術幫助我們理解材料為什么會表現出這樣的行為，并驗證我們的模型。
#參考來源：
https://news.mit.edu/2026/hidden-structure-behind-widely-used-class-materials-0430
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads6023
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/relaxor-ferroelectrics
#圖片來源：
封面圖&首圖：Zhu et al. via MIT News
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