电子显微镜的“极限挑战”，邂逅蹁跹而至的新型材料

材料牛注：相信作为一名材料人，对于电子显微镜一定不陌生了。借助电子显微镜的高分辨率，材料的微观结构正一步步展开其神秘的面纱。目前，有研究人员想方设法将其分辨率再创新高，有望达到数十皮米量级，在如此高的分辨率下合成新型材料。下面，让我们一起走进这场邂逅……

目前，宾夕法尼亚州立大学(Penn State)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)的研究人员正致力于使电子显微镜分辨率极限达到数十皮米量级，仅相当于氢原子尺寸的一小部分。

对于设计新型材料，如能从金属转变为半导体的材料或者是显示出超导特性的材料，实现在亚原子尺度上进行观测的能力是至关重要的。

研究人员已通过亚原子显微镜首次在原子尺度上证实了层状氧化物应变诱导铁电性的存在，而这一成果已在Nature Communications上发表。

“这项研究非常重要，因为在设计新型材料时，它可以通过每次处理一层原子来实现材料的调控，从而得到一些如高频可调电介质等有趣的性能。”宾夕法尼亚州立大学的博士后，现任美国陆军研究、开发和工程中心的研究人员Greg Stone说道。

设计具有潜在有用性能的新型材料需要密切结合理论，从而构建所需要的数学模型，在实验室中合成并创造出新材料，最后进行材料的表征，设想并测试材料的性能，进而调整理论基础并对合成方法进行相应的改进。

研究一般是建立在前人的工作基础上的，而该项研究也不例外。其中理论工作借鉴了Turan Birol和康奈尔大学的Craig Fennie的结果，实验工作借鉴了宾夕法尼亚州立大学的Venkatraman Gopalan和康奈尔大学的Darrell Schlom及其学生的成果。目前，宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程专业的Gopalan教授和Nasim Alem Gopalan教授为该项目的主要领导人。

研究人员Gopalan称其正在研究的是一种名为层状氧化物的钛酸锶式材料。这项研究将电子显微镜技术和5-10皮米级别密度泛函理论结合起来，来解释为何这些材料具有良好的介电可调性。研究的关键点在于多相竞争。正如理论所预测的那样，研究人员首次证明在这种材料中，很多能量相近的极性相质会发生原子尺度上的竞争，而这将使得材料在一定电压下具备较强的可调性。

这种复合氧化物是由一个带有负电荷的氧原子和两个其他带有正电荷的离子组成的材料。在这种情况下，研究团队将两名科学家发现的钛酸锶结构命名为Ruddlesden-Popper（RP），并对其进行了一系列研究。

这种结构看起来就像是一堵由砖块和砂浆砌成的墙壁，其中钛酸锶扮演砖块的角色，而氧化锶则扮演砖块之间的薄砂浆。当砖块以这种形式分层堆叠时，将产生单一砖块所不具备的属性。

“对RP-钛酸锶而言，产生的新属性就是铁电性，这意味着它的结构中有一个内置的电偏振。但是，根据材料所含原子以及分层堆叠顺序的不同，它会变得有磁性或转变为金属绝缘体或产生超导性。” Gopalan说道。

由于每一层砖块与其他层砖块间的联系较弱，材料将会具有竞争状态，同时每一层会在与邻层相反的方向上产生极化。这些竞争状态导致材料在受到微弱的外部刺激如电、磁或温度刺激时做出较强的应激反应。而对于钛酸锶而言，使得其能够在如电容器等的器件中储存大量的能量，属于较强的介质响应。

手机中有很多介电元件，这些元件体型小巧且能够充电。手机正在从4G网络向5G网络过渡，这意味着它们需要每秒钟运行五十亿个周期，所以响应频率更高、质量更好的材料的面世显得至关重要。而RP-钛酸锶就是这样的材料，其性能明显超越目前可用的其他材料。

原文链接：‘Extreme’ microscopes inspire new materials.

文献链接：Atomic scale imaging of competing polar states in a Ruddlesden–Popper layered oxide.

本文由编辑部刘万春提供素材，应豆编译，点我加入材料人编辑部。