電子顯微鏡的“極限挑戰”，邂逅蹁躚而至的新型材料

材料牛注：相信作為一名材料人，對于電子顯微鏡一定不陌生了。借助電子顯微鏡的高分辨率，材料的微觀結構正一步步展開其神秘的面紗。目前，有研究人員想方設法將其分辨率再創新高，有望達到數十皮米量級，在如此高的分辨率下合成新型材料。下面，讓我們一起走進這場邂逅……

目前，賓夕法尼亞州立大學(Penn State)和勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)的研究人員正致力于使電子顯微鏡分辨率極限達到數十皮米量級，僅相當于氫原子尺寸的一小部分。

對于設計新型材料，如能從金屬轉變為半導體的材料或者是顯示出超導特性的材料，實現在亞原子尺度上進行觀測的能力是至關重要的。

研究人員已通過亞原子顯微鏡首次在原子尺度上證實了層狀氧化物應變誘導鐵電性的存在，而這一成果已在Nature Communications上發表。

“這項研究非常重要，因為在設計新型材料時，它可以通過每次處理一層原子來實現材料的調控，從而得到一些如高頻可調電介質等有趣的性能。”賓夕法尼亞州立大學的博士后，現任美國陸軍研究、開發和工程中心的研究人員Greg Stone說道。

設計具有潛在有用性能的新型材料需要密切結合理論，從而構建所需要的數學模型，在實驗室中合成并創造出新材料，最后進行材料的表征，設想并測試材料的性能，進而調整理論基礎并對合成方法進行相應的改進。

研究一般是建立在前人的工作基礎上的，而該項研究也不例外。其中理論工作借鑒了Turan Birol和康奈爾大學的Craig Fennie的結果，實驗工作借鑒了賓夕法尼亞州立大學的Venkatraman Gopalan和康奈爾大學的Darrell Schlom及其學生的成果。目前，賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程專業的Gopalan教授和Nasim Alem Gopalan教授為該項目的主要領導人。

研究人員Gopalan稱其正在研究的是一種名為層狀氧化物的鈦酸鍶式材料。這項研究將電子顯微鏡技術和5-10皮米級別密度泛函理論結合起來，來解釋為何這些材料具有良好的介電可調性。研究的關鍵點在于多相競爭。正如理論所預測的那樣，研究人員首次證明在這種材料中，很多能量相近的極性相質會發生原子尺度上的競爭，而這將使得材料在一定電壓下具備較強的可調性。

這種復合氧化物是由一個帶有負電荷的氧原子和兩個其他帶有正電荷的離子組成的材料。在這種情況下，研究團隊將兩名科學家發現的鈦酸鍶結構命名為Ruddlesden-Popper（RP），并對其進行了一系列研究。

這種結構看起來就像是一堵由磚塊和砂漿砌成的墻壁，其中鈦酸鍶扮演磚塊的角色，而氧化鍶則扮演磚塊之間的薄砂漿。當磚塊以這種形式分層堆疊時，將產生單一磚塊所不具備的屬性。

“對RP-鈦酸鍶而言，產生的新屬性就是鐵電性，這意味著它的結構中有一個內置的電偏振。但是，根據材料所含原子以及分層堆疊順序的不同，它會變得有磁性或轉變為金屬絕緣體或產生超導性。” Gopalan說道。

由于每一層磚塊與其他層磚塊間的聯系較弱，材料將會具有競爭狀態，同時每一層會在與鄰層相反的方向上產生極化。這些競爭狀態導致材料在受到微弱的外部刺激如電、磁或溫度刺激時做出較強的應激反應。而對于鈦酸鍶而言，使得其能夠在如電容器等的器件中儲存大量的能量，屬于較強的介質響應。

手機中有很多介電元件，這些元件體型小巧且能夠充電。手機正在從4G網絡向5G網絡過渡，這意味著它們需要每秒鐘運行五十億個周期，所以響應頻率更高、質量更好的材料的面世顯得至關重要。而RP-鈦酸鍶就是這樣的材料，其性能明顯超越目前可用的其他材料。

原文鏈接：‘Extreme’ microscopes inspire new materials.

文獻鏈接：Atomic scale imaging of competing polar states in a Ruddlesden–Popper layered oxide.

本文由編輯部劉萬春提供素材，應豆編譯，點我加入材料人編輯部。