Forskarna Abhijit Pramanick från City University of Hong Kong (till vänster) och Mads Ry Jørgensen från Aarhus Universitet studerar ferroelektriska egenskaper på TOPAZ, SNS strållinje 12, för att bättre förstå hur ferroelektriska material beter sig under höga temperaturer och applikation av elektriska fält. Deras forskning skulle också kunna leda till utveckling av mer miljövänliga material. Kredit:ORNL/Genevieve Martin
Vid första ögonkastet, biomedicinska bildapparater, mobiltelefoner, och radioteleskop kanske inte verkar ha mycket gemensamt, men de är alla exempel på teknologier som kan dra nytta av vissa typer av relaxor-ferroelektrik – keramik som ändrar form under applicering av ett elektriskt fält.
De elektromekaniska egenskaperna inom dessa material är starkast vid specifika kombinationer av temperatur och applicerade elektriska fält. Två tidigare postdoktorala forskare vid US Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) återvänder till sina neutronvetenskapliga rötter vid ORNL Spallation Neutron Source (SNS) för att studera detta fenomen.
Kollegor och frekventa medarbetare Abhijit Pramanick från City University of Hong Kong och Mads Ry Jørgensen från Aarhus Universitet i Danmark träffades första gången under National School on Neutron and X-Ray Scattering (NXS) 2008. Deras senaste projekt går ut på att applicera elektriska fält och variera temperaturer till enkristallprover med hjälp av TOPAZ-instrumentet, SNS strållinje 12, att undersöka hur materialets atomer förskjuts under de förhållandena. De säger att en bättre förståelse för materialets beteende bör hjälpa till i utvecklingen av nya relaxor ferroelektriska konstruktioner med förbättrade egenskaper - och möjligen sådana som är mer miljövänliga, för.
"Intressant, när du utsätter detta material för vissa temperaturer under vissa elektriska fält, du får en stor ökning av elektromekaniska svar, ", sa Pramanick. "Men vi förstår inte riktigt varför det händer under sådana förhållanden. Vi försöker förstå den atomistiska mekanismen."
Jørgensen, som också sköter DanMAX-strållinjen vid MAX IV-laboratoriet i Sverige, förklarade att de fina detaljerna om hur dessa material fungerar förblir ett populärt ämne för pågående forskning eftersom forskare har studerat dessa mekanismer i mer än 50 år utan avgörande resultat.
TOPAZ är ett elastiskt spridningsinstrument som möjliggör sondering av materialstrukturer och svar under kontrollerade miljöförhållanden. Det möjliggör neutronmätning av samma enkristallprov som är möjligt med röntgendiffraktion. Kredit:US Department of Energy
För svar, laget vände sig till neutroner. Neutroner ger en oförstörande sond som forskare kan använda för att interagera med material för att samla in data om materialens atomära strukturer och beteenden.
"Det som verkligen är intressant är kombinationen av höga temperaturer och elektriska fält. När du försöker implementera det för väldigt små kristaller som de vi använder här, det är ett väldigt svårt experiment att göra, " sa Pramanick.
"I vanliga fall, Att studera dessa kristaller skulle vara som att stå på ena sidan av en byggnad men behöva gå runt hela omkretsen för att få en full vy, "Jörgensen sa, "men TOPAZ ger en heltäckande bild av alla fyra sidorna samtidigt, vilket gör att vi kan sondera diffraktionsmönstret i 3D utan att rotera provet."
Forskarna undersöker också betydelsen av bly i ferroelektriska material. En viktig komponent i relaxor ferroelektrik, bly utgör också miljörisker, från att bidra till luftföroreningar till att negativt påverka ömtåliga ekosystem.
"Vi måste lära oss vad som gör bly så viktigt, " sa Pramanick. "Om vi kan förstå de atomistiska mekanismerna bättre, vi kan designa nya material som är mer miljövänliga men ändå uppnå liknande egenskaper."
Båda forskarna är glada över att nå dessa mål på SNS. "Det är alltid bra att komma tillbaka, ", sa Pramanick. "Vi älskar att se hur anläggningen fortsätter att växa."
