原子内的微小晶体在许多介电和铁电陶瓷扭曲和舞蹈当电场。但直到现在,没有人能告诉准确如何他们扭曲的跳舞,即使了解这些运动可以发展更紧凑的关键,更高的性能电容器和冷凝器。
在一个新的科学报告纸,北卡罗莱纳州立大学的研究人员来自美国国家标准与技术研究所的同事和新大学的南Wales-show如何分析x射线衍射数据的新方法可以揭示细节陶瓷的结构对电场的反应。
陶瓷可以融合在一起的复杂混乱的无定形材料结晶颗粒大小不同的在不同的方向。传统上,科学家们通过阅读干扰探测器晶体结构模式产生的x射线穿过它们。他们通常只分析主信号最强的乐队或亮环,使整体结构的信息。这适用于均质材料在常规的晶格。不过,在异构陶瓷晶体指向四面八方,很多细节是埋在微弱的二次信号和扩散模式。
总电场下x射线衍射数据收集。强和弱信号样本内角度总结然后进行傅里叶变换相结合,形成更完整的信息在不同晶体取向比可以获得与传统分析。信贷
NCSU-led团队捕获这个细节运用对分布函数(PDF)。在1960年代所描述的方法,但是使用越来越多的在过去的十年中,允许研究人员阅读所有信号在一个楔形的衍射模式计算的长度和方向对原子之间的债券。(见图)。研究人员采取的快照陶瓷与没有施加电场,采取普查的有多少微晶核取向在每个条件。
“一个很好的类比,分析了明亮的环就像检查摩天大楼从很远的地方,确定每个办公室是500平方英尺,”说NCSU Tedi-Marie迎来新闻稿。“然而,也分析了弱x射线散射的样本,我们可以确定,有些办公室有400平方英尺和600平方英尺,和一些桌子在东,和其他人桌子北面。”
研究小组分析了三个钙钛矿材料-钛酸钡(BaTiO3),钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3),钛酸锶(SrTiO3)——的陶瓷类的成员有用的介电、铁电和压电特性。
在电场中,电介质极化和铁电体扭转他们的极性。这segregation-positive一边充电,-另一方面,没人在middle-impedes电流穿过缺口,让能源建立。材料的相对介电常数(或介电常数)是一个多么有效地储存能量指数作为一个电场。空气和真空的介电系数1(或非常接近)。硅是12。在钛酸钡(也是第一个确定压电陶瓷),介电常数的范围可以从1200年到10000年或更多。
随着材料极化,其原子重新定位自己在晶格。例如,在钛酸铋钠铋原子结合电场,改变他们的关系与周围的钛离子。(参见动画。所示的铋原子紫色,蓝色的钛。)
“偶极效应已知对介质介电常数的贡献大,”琼斯NCSU的雅各说,团队领导,在一份新闻稿中。“测量告诉我们人口的偶极子的调整。我们可以把这些信息与微观自发的偶极子大小和计算净对宏观介电常数的贡献。”
现在,似乎没有放之四海而皆准的介电陶瓷结构变化的机制。
“一个有趣的发现是,我们测试了三种介质材料表现出不同的行为在原子层面,”琼斯说。“没有单一的原子行为占整个材料介电性能。”
所以更需要学习。年代琼斯的援助:
切身利益的范围广泛的介质材料,表现出复杂和难以捉摸的结构。例如,钙钛矿与组件Na0.5Bi0.5TiO3钛酸铋钠,K0.5Bi0.5TiO3(钛酸铋钾)和Pb(毫克0.33注0.67阿)3(镁铌酸铅)和固体的解决方案。这些化合物表现出独特的局部结构,将如何应对不同的领域。这是一个有用的技术来揭示有趣的物理起源独特的介质,这些材料的压电、铁电特性。我们也感兴趣这种技术扩展到一个新兴的高熵合金(头脑)和阶层entropy-stabilized氧化物(eso),独特的元素可能响应机械应力或电场的反应是不同的。元素的独特的本地行为在这些多元化的材料无法访问在传统衍射测量。
