一种被广泛使用的材料，终于显露出隐藏的原子结构

弛豫铁电体是铁电材料中的一个特殊类别。几十年来，这类材料一直被用于超声、麦克风和声呐系统等技术中。它们独特的性质来自其原子结构，但这种结构一直难以被直接测量。一种常见的研究方法是把实验结果和理论模拟进行比较。但问题在于，两者看到的尺度和信息不同：实验往往会对材料内部的不均匀性进行平均处理，而理论则提供的是原子尺度的图景。

为了解决克服这一难题，一个研究团队利用一种名为多层电子叠层成像（MEP）的新兴技术，首次对一种典型的弛豫铁电材料的三维原子结构和化学组成进行了直接表征。研究人员发现，实验中观察到的化学无序，此前并没有被在模型中被充分考虑。他们将实验观察与模拟结合起来，改进了模型，进而更好地预测了在实验中看到的现象。

研究结果已经发表于近期的《科学》杂志。

探测无序材料

关于弛豫铁电体的主流模拟显示，当施加电场时，弛豫铁电材料的不同纳米区域中带正电和带负电的原子之间的相互作用，有助于产生出色的储能和传感能力。然而，到目前为止，这些纳米区域的细节一直无法被直接测量。

在新的研究中，研究人员研究了一种用于传感器、致动器和防御系统的弛豫铁电材料——铌镁酸铅—钛酸铅合金。他们采用的是多层电子叠层成像技术，在这一技术中，研究人员会让一个纳米尺度的高能电子探针扫过材料，并测量由此产生的电子衍射图样。

研究人员利用一种名为多层电子叠层成像（MEP）的技术，让一个纳米尺度的电子探针扫过材料，并测量了由此产生的电子衍射图样。不同扫描区域之间的重叠部分，可用于生成材料的原子结构的三维扫描图像。（图/Zhu et al. via MIT News）

他们以连续扫描的方式进行测量，并在每一个位置采集一个衍射图样。这样就会形成彼此重叠的区域，而这些重叠区域包含足够的信息，就可以通过算法迭代重建出关于样品和电子波函数的三维信息。如此一来，他们利用这项技术揭示出了一种从原子尺度延伸到介观尺度的化学结构和极性结构层级。

研究人员还发现，材料中许多具有不同极化状态的区域，比主流模拟预测的要小得多。随后，研究人员将新的数据反馈到计算机模拟中，并改进模型，使其能够更好地反映不同条件下的实验发现。此前，这些模型基本上只是包含一些随机的极化区域，但它们并无法透露这些区域之间是如何相互关联的。

现在，研究人员能够给出这方面的信息，也能够看到不同化学组分如何根据原子的电荷状态来调控极化。

迈向更好的材料

这是首次在电子显微镜下，将弛豫铁电体的三维极性结构与分子动力学计算直接联系起来。它进一步证明，利用多层电子叠层成像技术可以从样品中获得三维信息。这项研究展示了电子叠层成像在研究复杂材料方面的潜力，并为复杂无序材料研究开辟了新的方向。

研究人员还认为，这项研究为改进相关模型提供了一个框架，有朝一日或将帮助科学家设计出具有先进电子行为的材料，用于改进一系列存储、传感和能源技术。

此外，随着AI的进步以及计算工具变得更加先进，材料科学正在把更多复杂性纳入材料设计过程之中——无论对象是金属合金还是半导体。但如果模型不够准确，而且又没有办法验证它们，那就是‘垃圾进，垃圾出’。这项技术帮助我们理解材料为什么会表现出这样的行为，并验证我们的模型。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2026/hidden-structure-behind-widely-used-class-materials-0430

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads6023

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/relaxor-ferroelectrics

#图片来源：

封面图&首图：Zhu et al. via MIT News