Cela montre la diffusion diffuse des rayons X qui a aidé les scientifiques d'Argonne et leurs collaborateurs à commencer à répondre à des questions de longue date sur les ferroélectriques relaxeurs, une classe de matériaux technologiquement importante. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Les propriétés d'un solide dépendent de la disposition de ses atomes, qui forment une structure cristalline périodique. A l'échelle nanométrique, les dispositions qui cassent cette structure périodique peuvent modifier drastiquement le comportement du matériau, mais c'est difficile à mesurer. Les récents progrès des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) commencent à élucider ce mystère.
Grâce à la diffusion de neutrons et de rayons X synchrotron à la pointe de la technologie, Les scientifiques d'Argonne et leurs collaborateurs aident à répondre à des questions de longue date sur une classe de matériaux technologiquement importante appelés ferroélectriques relaxeurs, qui sont souvent à base de plomb. Ces matériaux ont des propriétés mécaniques et électriques utiles dans des applications telles que le sonar et les ultrasons. Plus les scientifiques comprendront la structure interne des ferroélectriques relaxeurs, les meilleurs matériaux que nous pouvons développer pour ces applications et d'autres.
Les constantes diélectriques des ferroélectriques relaxeurs, qui expriment leur capacité à stocker de l'énergie lorsqu'ils sont dans un champ électrique, ont une dépendance inhabituelle à la fréquence du champ. Son origine a longtemps été un mystère pour les scientifiques. Les ferroélectriques relaxants peuvent également avoir des propriétés piézoélectriques extrêmement élevées, ce qui signifie que lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique, ils développent un champ électrique interne, ou, inversement, ils se dilatent ou se contractent en présence d'un champ électrique externe. Ces propriétés rendent les ferroélectriques relaxeurs utiles dans les technologies où l'énergie doit être convertie entre mécanique et électrique.
Parce que le plomb est toxique, les scientifiques essaient de développer des matériaux sans plomb qui peuvent fonctionner encore mieux que les ferroélectriques à base de plomb. Pour développer ces matériaux, les scientifiques essaient d'abord de découvrir quels aspects de la structure cristalline du ferroélectrique relaxeur sont à l'origine de ses propriétés uniques. Bien que la structure soit ordonnée et prévisible en moyenne, des écarts par rapport à cet ordre peuvent se produire localement, ou au niveau nanométrique. Ces ruptures dans la symétrie à longue distance de la structure globale jouent un rôle crucial dans la détermination des propriétés du matériau.
Cela montre l'asymétrie de la diffusion en forme de papillon, que les scientifiques d'Argonne ont trouvé était fortement corrélé avec le comportement piézoélectrique. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
"Nous comprenons très bien la commande à long terme, mais pour cette expérience, nous avons développé de nouveaux outils et méthodes pour étudier l'ordre local, ", a déclaré le physicien principal d'Argonne, Stephan Rosenkranz.
Des scientifiques d'Argonne et de l'Institut national des normes et de la technologie, avec leurs collaborateurs, étudié une série de ferroélectriques à base de plomb avec différents ordres locaux, et donc des propriétés différentes. En utilisant une nouvelle instrumentation conçue par les scientifiques d'Argonne qui est capable de fournir une mesure beaucoup plus grande et plus détaillée que les instruments précédents, l'équipe a étudié la diffusion diffuse des matériaux, ou comment les écarts locaux de structure affectent le modèle de diffusion autrement plus ordonné.
Des chercheurs précédents ont identifié un certain motif de diffusion diffuse, qui prend la forme d'un papillon, et l'a associé aux propriétés diélectriques anormales des ferroélectriques relaxeurs. Lorsque les scientifiques d'Argonne ont analysé leurs données expérimentales, cependant, ils ont découvert que la diffusion en forme de papillon était fortement corrélée avec le comportement piézoélectrique.
"Maintenant, nous pouvons réfléchir à quel type d'ordre local provoque cette dispersion de papillons, et comment pouvons-nous concevoir des matériaux qui ont les mêmes caractéristiques structurelles qui donnent lieu à cet effet, " a déclaré le physicien d'Argonne Danny Phelan.
Cela montre d'autres caractéristiques de diffusion diffuse, qui sont dues à des interactions concurrentes de celles à l'origine de la dispersion des papillons. Crédit :Laboratoire National d'Argonne
Quant à la véritable cause des propriétés diélectriques anormales, les scientifiques proposent qu'il résulte d'interactions concurrentes qui conduisent à une "frustration" dans le matériau.
Les nouvelles découvertes découlent de l'utilisation par les scientifiques de la diffusion des neutrons et de la diffusion des rayons X. « Il y a une complémentarité inestimable à l'utilisation de ces deux techniques, " a déclaré Phelan. " Utiliser l'un ou l'autre ne vous donne pas une vue d'ensemble. "
Les scientifiques utiliseront ces découvertes pour éclairer les modèles de ferroélectriques relaxeurs qui sont utilisés pour développer de nouveaux matériaux. De futures expériences éclaireront davantage la relation entre l'ordre local et les propriétés des matériaux.
