Egenskaperna hos ett fast ämne beror på arrangemanget av dess atomer, som bildar en periodisk kristallstruktur. På nanoskala, arrangemang som bryter denna periodiska struktur kan drastiskt förändra materialets beteende, men detta är svårt att mäta. Nya framsteg från forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory börjar reda ut detta mysterium.

Genom att använda toppmodern neutron- och synkrotronröntgenspridning, Argonne-forskare och deras medarbetare hjälper till att svara på långvariga frågor om en tekniskt viktig klass av material som kallas relaxor ferroelektrik, som ofta är blybaserade. Dessa material har mekaniska och elektriska egenskaper som är användbara i applikationer som ekolod och ultraljud. Ju mer forskarna förstår den inre strukturen hos relaxor ferroelektrik, desto bättre material kan vi utveckla för dessa och andra applikationer.

De dielektriska konstanterna för relaxorferroelektrik, som uttrycker sin förmåga att lagra energi när de befinner sig i ett elektriskt fält, har ett ovanligt beroende av fältets frekvens. Dess ursprung har länge varit ett mysterium för forskare. Relaxor ferroelektrik kan också ha mycket höga piezoelektriska egenskaper, vilket innebär att när de är mekaniskt belastade utvecklar de ett inre elektriskt fält, eller, omvänt, de expanderar eller drar ihop sig i närvaro av ett externt elektriskt fält. Dessa egenskaper gör relaxor ferroelektrik användbar i teknologier där energi måste omvandlas mellan mekanisk och elektrisk.

Eftersom bly är giftigt, forskare försöker utveckla icke-blybaserade material som kan prestera ännu bättre än blybaserad ferroelektrik. För att utveckla dessa material, forskare försöker först avslöja vilka aspekter av relaxorns ferroelektriska kristallstruktur som orsakar dess unika egenskaper. Även om strukturen i genomsnitt är ordnad och förutsägbar, avvikelser från denna ordning kan förekomma på en lokal, eller nanoskalanivå. Dessa brott i den långa symmetrin i den övergripande strukturen spelar en avgörande roll för att bestämma materialets egenskaper.

"Vi förstår den långsiktiga ordningen mycket väl, men för detta experiment utvecklade vi nya verktyg och metoder för att studera den lokala ordningen, " sa Argonne senior fysiker Stephan Rosenkranz.

Forskare från Argonne och National Institute of Standards and Technology, tillsammans med sina medarbetare, studerade en serie blybaserad ferroelektrik med olika lokala beställningar, och därför olika egenskaper. Genom att använda ny instrumentering designad av Argonne-forskare som kan ge en mycket större och mer detaljerad mätning än tidigare instrument, teamet studerade den diffusa spridningen av materialen, eller hur de lokala avvikelserna i strukturen påverkar det annars mer ordnade spridningsmönstret.

Tidigare forskare har identifierat ett visst diffust spridningsmönster, som tar formen av en fjäril, och associerade det med de anomala dielektriska egenskaperna hos relaxor-ferroelektrik. När Argonne-forskare analyserade sina experimentella data, dock, de fann att den fjärilsformade spridningen var starkt korrelerad med piezoelektriskt beteende.

"Nu kan vi fundera på vilken typ av lokal ordning som orsakar denna fjärilsspridning, och hur kan vi designa material som har samma strukturella egenskaper som ger upphov till denna effekt, " sa Argonne-fysikern Danny Phelan.

När det gäller den verkliga orsaken till de anomala dielektriska egenskaperna, forskarna föreslår att det uppstår från konkurrerande interaktioner som leder till "frustration" i materialet.

De nya upptäckterna härrörde från forskarnas användning av både neutronspridning och röntgenspridning. "Det finns ovärderlig komplementaritet med att använda båda dessa tekniker, sa Phelan. Att använda det ena eller det andra ger dig inte hela bilden.

Forskarna kommer att använda dessa upptäckter för att informera modeller av relaxor-ferroelektrik som används för att utveckla nya material. Framtida experiment kommer ytterligare att belysa sambandet mellan lokal ordning och materialegenskaper.