Materialingenjörer gillar inte att se linjefel i funktionella material.

De strukturella bristerna längs en endimensionell linje av atomer försämrar i allmänhet prestanda hos elektriska material. Så, som en forskningsartikel publicerad i dag av tidskriften Vetenskap rapporter, dessa linjära defekter, eller dislokationer, "undviks vanligtvis till varje pris."

Men ibland, ett team av forskare från Europa, Iowa State University och U.S. Department of Energy's Ames Laboratory rapporterar i denna tidning, Att konstruera dessa defekter i vissa oxidkristaller kan faktiskt öka den elektriska prestandan.

Forskargruppen – ledd av Jürgen Rödel och Jurij Koruza från Darmstadts tekniska universitet i Tyskland – fann att vissa defekter ger betydande förbättringar i två nyckelmätningar av elektrisk prestanda i bariumtitanat, ett kristallint keramiskt material.

"Genom att introducera dessa defekter i materialet, vi kan förändra, modifiera eller förbättra materialets funktionella egenskaper, sa Xiaoli Tan, en professor i materialvetenskap och teknik i Iowa och en mångårig forskningssamarbetspartner med Rödel.

I detta fall, de tekniska defekterna ledde till en femfaldig ökning av dielektriska egenskaper (som begränsar strömflödet) och en 19-faldig ökning av piezoelektriska egenskaper (som internt genererar ett elektriskt fält när de utsätts för mekanisk påkänning), Sa Tan.

Specialverktyg för specialmått

Förutom Tan, två andra forskare i delstaten Iowa hjälpte projektets internationella forskargrupp att utforska grundläggande materialfrågor:Lin Zhou, en vetenskapsman inom materialvetenskap och teknik och U.S. Department of Energy's Ames Laboratory; och Binzhi Liu, doktorand i materialvetenskap och teknik.

Med stöd från National Science Foundation, de tre bidrog med sin expertis inom transmissionselektronmikroskopi – teknik som kan visa strukturer och egenskaper hos material genom att skjuta en elektronstråle genom tunna prover och spela in en bild. Bilderna har mycket högre upplösning än ljusmikroskopi och kan visa fina detaljer ner till skalan för enskilda atomer.

Nyckeln till projektet var Ames Laboratory's Sensitive Instrument Facility, byggt i samarbete med Iowa State. Byggnaden byggdes 2015 med nästan 10 miljoner dollar från Department of Energy. Det ger en vibrations- och statisk fri miljö för elektronmikroskopi med högsta möjliga upplösningar.

"Det är en toppmodern elektronmikroskopianläggning, ", sade Zhou. "Det ger en ultrastabil miljö så att vi kan uppnå bilder på atomnivå av material och samtidigt skaffa kemisk information.

"Det är en fantastisk plattform för forskning och utbildning av nästa generations materialforskare."

Ett bättre material för kondensatorer?

För detta projekt, elektronmikroskopiteamet kvantifierade bevisen för att linjedefekter i ett kristallint material kan öka elektrisk prestanda, sa Liu.

Siffrorna visade att "dislokationerna avsevärt kan förändra beteendet hos andra fina egenskaper i materialet, " sa Liu.

Tan sa att fyndet kan få stora konsekvenser för den elektriska kondensatorindustrin.

Det finns hundratals kondensatorer i din mobiltelefon och marknaden för dem är enorm, Sa Tan. Det keramiska materialet som testades i detta projekt har använts i stor utsträckning i kondensatorer, men den defektinducerade ökningen av elektrisk prestanda kan göra det bättre. Det är också blyfritt och mindre giftigt än andra materialalternativ.

Och så, forskarna skrev, dessa konstruerade linjedefekter kan förvandlas till "en annan uppsättning verktyg för att skräddarsy funktionella material." Och denna "funktionella skörd" kan vara bra för vår elektronik, och även vår miljö och hälsa.