亚原子显微镜的关键新材料类建筑
宾州州立大学和劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造推动着电子显微镜为几十皮米尺度范围的研究者，一个氢原子的一小部分。
看到在这个亚原子水平的能力具有前所未有的性能的新材料的设计是至关重要的，如材料，从金属到半导体或表现出超导转变。研究者的工作描述为应变诱导层状氧化物铁电性的第一个原子尺度的证据出现在线今天（8月31日），在自然通讯。
“本文是重要的，因为它突出了我们的能力，设计新的类的材料，可以调整，一个原子层在一个时间，获得有趣的新的属性，如高频率可调谐电介质，这是感兴趣的半导体产业，”第一作者Greg Stone，前宾州立大学的博士后学者现在在美国陆军研究，开发和工程中心。
设计潜在有用的新材料需要理论，合成和表征的密切合作，第一个建立所需的数学模型，第二个创建在实验室中的材料，和第三个可视化和测量材料的性能，并提供反馈调整理论和提高合成。
这项研究建立在以前的理论工作的合著者康奈尔大学的Turan Birol和Craig Fennie和实验工作的宾州州立大学和Darrell Schlom coauthors Venkatraman Gopalan，以前在宾夕法尼亚州立大学和现在的康奈尔，和他们的学生。Gopalan和Nasim Alem，宾州州立大学材料科学与工程教授，领导研究。
“我们正在寻找的材料是一种钛酸锶称为层状氧化物，“Gopalan说。”本文汇集了电子显微镜在5密度泛函理论10皮米尺度来说明为什么这些材料都是很好的可调谐介质。关键是相竞争，也是第一次，我们发现很多极性相类似的能量在这竞争的材料在原子尺度，正如理论所预测的，这使得它在电压大的可调性。”
复合氧化物是通过将带负电荷的氧和其他两个带正电荷的离子结合而形成的材料。在这种情况下，研究小组检查了钛酸锶与结构称为Ruddlesden Popper（RP），这两位科学家发现了它之后。该结构看起来像一个砖和迫击炮墙，用钛酸锶制成的砖和由氧化锶制成的砖之间的薄的砂浆。当砖是这种时尚的分层，新的属性出现，不会出现在一个单一的砖。
“在钛酸锶RP的情况下，突发性铁电性，这意味着其结构内的内置电极化，“Gopalan说。”但它可以是磁性或金属-绝缘体转变或超导电性，这取决于所涉及的原子和材料的分层顺序。
由于每一层砖都有一个薄弱的连接到其他层，材料可以有竞争的状态，一层极化在一个方向相反的相邻层。这些相互竞争的状态导致材料具有强烈的响应于一个小的外部刺激，如电场或磁场或温度。在钛酸锶的情况下，有一个大的介电响应，这是存储大量的能量的能力，如在一个电容器。
手机有很多很小的介电元件，并要装一个电荷。由于手机的4G网络对5G的过渡，这意味着他们在每秒50亿次的处理，更好的材料，在更高的频率响应是至关重要的。钛酸锶是一种材料，肯定优于目前的材料。
全国的分子实验室，电镜设施中心的Colin Ophus说，“这项工作是一个很好的例子的材料的进展时，我们亲密的第一原理计算和原子分辨率的电子显微镜之间的反馈回路。”
他的同事Jim Ciston在分子铸造补充说，“理论和实验之间的协议的精度是抽丝剥茧的细微差异在结构之间竞争的铁电相的关键。这些图像的原子位置是惊人的精确的漂亮的照片，但包含了大量的可量化的信息，在原子位置的微小的扭曲，可以导致令人惊讶的属性。
在纸上附加的合著者，名为“原子级成像在ruddleston波普尔层状氧化物竞争极性的状态，”Nasim Alem，副教授，材料科学与工程，宾州州立大学，他说，美妮的博士生现在在明尼苏达大学，车慧乐锷副教授、Schlom博士生在宾州州立大学的康奈尔和佩恩国家的科研人员Ke Wang。 ； ；