Även om vi vanligtvis tänker på oordning som en dålig sak, har ett team av materialvetenskapliga forskare ledda av Rohan Mishra, från Washington University i St. Louis, och Jayakanth Ravichandran, från University of Southern California, avslöjat att – när det kommer till vissa kristaller—en liten strukturell störning kan ha stor inverkan på användbara optiska egenskaper.
I en studie publicerad online i Advanced Materials , de första författarna Boyang Zhao, en USC doktorand i materialvetenskap som arbetar med Ravichandran, och Guodong Ren, en doktorand som arbetar med Mishra vid WashU:s Institute of Materials Science and Engineering, beskriver en ny väg för att erhålla nya optiska och elektroniska egenskaper från strukturella störningar .
De fann att små förskjutningar på bara några pikometer – det är 100 000 gånger mindre än tjockleken på ett pappersark – i en kristalls atomära struktur kan ha minimal inverkan på optiska egenskaper i en riktning men producera gigantiska funktionsförbättringar när de ses från en annan. vinkel.
I det här fallet förändrades materialets brytningsindex, eller hur mycket ljus som böjs eller avviker från dess ursprungliga väg när det passerar igenom, dramatiskt med atomär oordning.
Sådana funktionsförbättringar kan ha praktiska tillämpningar inom bildbehandling, fjärranalys och till och med medicin. Genom att kontrollera graden av atomär störning för att uppnå önskade optiska egenskaper, förutser forskarna att utveckla kristaller som möjliggör avancerad infraröd avbildning i svagt ljus, till exempel förbättra prestandan hos autonoma fordon som kör på natten eller medicinska bildapparater.
"Vi har arbetat med halvledarmaterial i åratal, gradvis flyttat ner det periodiska systemet, letat efter material som beter sig bra men också gör intressanta eller oväntade saker", säger Ravichandran, Philip och Cayley MacDonald Endowed Early Career Chair och docent i Viterbi School of Engineering vid USC.
"När vi började titta på sätt att få mer avstämning - att tillverka material som är idealiskt lämpade för specifika applikationer - fann vi att egenskaperna varierade dramatiskt när de mättes från olika håll."
När material har olika egenskaper eller beteende när de mäts eller observeras från olika riktningar, kallas det anisotropi. Anisotropa material har olika egenskaper beroende på hur man ser på dem, och det kan ha en enorm inverkan på funktioner, inklusive ljustransmission, mekaniskt beteende och andra fysiska eller elektriska egenskaper som är avgörande för hur vanliga enheter som kameror fungerar.
Materialet som teamet studerade, bariumtitansulfid (BaTiS3). ), en hexagonal kristall, var redan känd för att ha stor optisk anisotropi, men forskarna kunde inte ta reda på varför. Det tog år av fram och tillbaka samarbete mellan team vid WashU, USC och olika nationella laboratorier, men så småningom knäckte teamet fallet.
"Vi såg stora skillnader mellan teori och experiment - att lysa ett ljus på materialet i olika vinklar gjorde en enorm skillnad i optiska egenskaper av skäl som inte var tydliga", säger Mishra, docent i maskinteknik och materialvetenskap i McKelvey School of Engineering vid WashU.
"Nyckeln visade sig vara strukturella instabiliteter som resulterar i att vissa atomer, i det här fallet Ti-atomerna, förskjuts bort från mer symmetriska positioner på ett oordnat sätt. Små anisotropa förskjutningar dök upp i högupplösta synkrotronexperiment, då visste vi att titta närmare på atomstrukturen med ett elektronmikroskop."
"Förskjutningar i pikometerskala är så små att du bara hittar dem om du specifikt letar efter dem," tillade Ravichandran.
Den nivån av fina detaljer behövs vanligtvis inte, inte ens för banbrytande materialvetenskaplig forskning, eftersom ljus vibrerar så snabbt att det jämnar ut lokala defekter i ett material. Inte den här gången.
Ren och Zhao var tvungna att titta på varje antagande och varje del av teorin för att ta reda på hur man skulle förklara bristen på överensstämmelse mellan teori och experiment, sa Mishra och Ravichandran och noterade att det bara var möjligt att lösa detta mysterium genom samarbete.
Med hjälp av en kombination av avancerade tekniker, inklusive enkristallröntgendiffraktion, kärnmagnetisk resonans i fast tillstånd och sveptransmissionselektronmikroskopi, fann forskarna bevis på anisotropa atomförskjutningar av titanatomerna i BaTiS3 . Dessa otroligt små, pikoskala förskjutningar sker i lokala kluster i materialet, men de utövar ett djupgående inflytande på globala optiska egenskaper.
"Det viktiga är att små förskjutningar kan ha jätteeffekter," sa Mishra. "Vi undersöker fortfarande hur faktorer som temperatur kan förändra det här materialets optiska egenskaper, men med den här studien har vi utvecklat en djup förståelse för sambandet mellan strukturell störning och optisk respons. Det kommer att hjälpa oss när vi fortsätter att upptäcka nya material och funktioner. "
Mer information: Boyang Zhao et al, Giant Modulation of Refractive Index from Picoscale Atomic Displacements, Advanced Materials (2024). DOI:10.1002/adma.202311559
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Washington University i St. Louis
