【据宾夕法尼亚州立大学材料研究所8月31日报道】宾夕法尼亚州立大学和劳伦斯伯克利国家实验室纳米科学研究中心的研究人员目前正在致力于使电子显微镜尺度极限达到数十皮米量级，仅相当于氢原子尺寸的一小部分。在这种亚原子层级上进行观测的能力对于设计新型材料（如能够从金属转变为半导体的材料，或显示其超导特性的材料）而言至关重要。近期，研究人员运用亚原子显微镜技术首次从原子尺度证实了层状氧化物应变诱导铁电性的存在。

　　来自美国陆军研究、开发和工程中心的研究人员称，该项研究的重要性在于，每次处理一个原子层可以加强设计新型材料的能力，这种能力使我们得以发现如高频可调电介质等有趣的新属性。

　　设计具有潜在有用属性的新型材料需要密切结合理论，以建立数学模型并合成，在实验室中创造材料并进行表征，设想并测定材料的属性，给予反馈，进而调整理论基础并改进合成方法。

　　研究人员称其正在研究一种名为层状氧化物的钛酸锶式材料。他们将电子显微镜技术和5-10皮米级别密度功能性理论结合起来，以说明为何这些材料具有良好的介电可调性。其关键是多相竞争，正如理论预测的那样，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级竞争，这使得其在一定电压下具备较强的可调性。

　　而这种复杂的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，研究小组对两名科学家发现的称为Ruddlesden-Popper（RP）的钛酸锶结构进行了研究。这种结构看上去就像是一堵由砖块和水泥砌成的墙，其中，砖块是由钛酸锶构成，而砖块之间的薄灰浆则由氧化锶构成。当以这种形式将砖块分层堆叠时，就会产生单一砖块所不具备的属性。

　　研究人员指出，对RP-钛酸锶而言，新的属性就是铁电性，这意味着，这种结构本身就具备电极化性。但是，根据材料所含原子以及分层堆叠顺序的不同，它会产生磁力、转变为金属绝缘体或产生超导性。”

　　由于每一层砖块与其他层砖块间的联系较弱，所以材料会产生竞争状态，同时每一层会在与邻层相对的方向上产生极化性。这些竞争状态导致材料在受到较小的外部刺激（如电、磁或温度刺激）时做出较强的反应。对于钛酸锶而言，较强的介质响应，能够在诸如电容器的部件内储存大量的能量。

　　手机中有很多电介质部件，这些部件都十分小巧，并且能够保存电荷。当前，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，因此必须采用回应频率更高且更优质的材料。RP-钛酸锶就是这样一种材料，其性能明显超越目前可用的其他材料。国家纳米科学电子显微镜研究中心的Colin Ophu指出。他在纳米科学研究中心的同事Jim Ciston补充道：“理论和实验必须高度一致，这也对弄明白竞争性铁电相之间细微的结构差别至关重要。这些原子位置图像不仅仅是具有高精度的精致图片，也包含了大量能够让人们了解那些产生惊人属性的‘原子位置细微畸变’的可量化性信息。”（中国船舶工业综合技术经济研究院　程大树）