Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y UNSW Australia han medido el comportamiento de átomos específicos en materiales dieléctricos cuando están expuestos a un campo eléctrico. El trabajo avanza en nuestra comprensión de los materiales dieléctricos, quese utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos de mano hasta desfibriladores.
"Los materiales dieléctricos son aislantes que pueden almacenar y administrar la carga eléctrica. Pero aún no habíamos medido directamente cómo se mueven los átomos en los materiales dieléctricos para almacenar esa carga", dice Tedi-Marie Usher, candidata a doctorado enciencia e ingeniería de materiales en NC State y autor principal de un artículo sobre el trabajo.
Para llegar al fondo de este problema, los investigadores aplicaron voltaje a un material dieléctrico, creando un campo eléctrico. Bombardearon simultáneamente el material con rayos X desde un sincrotrón en la Fuente de Fotones Avanzados del Laboratorio Nacional de Argonne. Cuando los rayos Xgolpean el material, se dispersan en un patrón de anillos brillantes. Por lo general, para determinar la disposición de los átomos en un material, se analizan las posiciones e intensidades de estos anillos brillantes.
Sin embargo, al aplicar nuevas técnicas matemáticas que son más sensibles a los rayos X dispersos tenues débiles, los investigadores podrían determinar cambios en la ubicación de átomos específicos dentro de la estructura cristalina del material. En otras palabras, los investigadores podrían"vea" cómo se movieron los átomos entre sí en respuesta al campo eléctrico.
"Una buena analogía sería que analizar los anillos brillantes es como examinar un rascacielos desde lejos y determinar que cada oficina tiene 500 pies cuadrados. Sin embargo, al analizar también los débiles rayos X dispersos de la muestra, podemos determinar quealgunas oficinas son de 400 pies cuadrados y otras son de 600 pies cuadrados, y algunas tienen el escritorio en el lado este, y otras tienen el escritorio en el lado norte ", dice Usher. Este es un enfoque poco común, porque los experimentadores generalmente solo evalúan el brilloanillos
"Lo que es realmente nuevo aquí es que esta técnica es mucho más sensible al comportamiento de átomos seleccionados en relación con sus átomos vecinos, en lugar de mirar un promedio de todos los átomos en una muestra", dice Jacob Jones, profesor de materialesciencia e ingeniería en NC State y autor correspondiente del artículo.
El trabajo utiliza una técnica llamada función de distribución de pares, que permite a los investigadores extraer información sobre cómo se ordenan los átomos en escalas de longitud extremadamente pequeñas basadas en los rayos X de intensidad débil difractados de una muestra. Los investigadores evaluaron tres materiales dieléctricos diferentespara este estudio
"Uno de los hallazgos interesantes aquí es que cada uno de los tres materiales dieléctricos que probamos exhibió comportamientos muy diferentes a nivel atómico; no hubo un comportamiento atómico único que explicara las propiedades dieléctricas entre los materiales", dice Jones.
Por ejemplo, los investigadores probaron un material llamado titanato de bismuto de sodio, un material no tóxico que se cree prometedor para su uso en dispositivos dieléctricos. En ausencia de un campo eléctrico, los investigadores sabían que los iones de bismuto están apagadoscentro en relación con los átomos vecinos. Pero diferentes iones de bismuto estarían descentrados en diferentes direcciones. Sin embargo, cuando se aplica un campo eléctrico, prácticamente todos los iones de bismuto se desplazaron de modo que estaban descentrados en la misma dirección que el campo eléctrico.
"Ninguno de los otros materiales dieléctricos exhibió un comportamiento similar", dice Usher. "Una de nuestras preguntas para el trabajo futuro es si el comportamiento del bismuto que vimos en el titanato de bismuto de sodio es consistente en los dieléctricos basados en bismuto".
"También queremos saber cómo los materiales dieléctricos y otros materiales complejos, como las aleaciones de alta entropía, se comportan a escala atómica cuando están bajo tensión mecánica", dice Jones.
El documento, "Cambios estructurales locales y de mesoescala inducidos por campos eléctricos en dieléctricos y ferroeléctricos policristalinos", se publicará en línea el 1 de octubre en la revista Nature Informes científicos . El documento fue escrito por Igor Levin de NIST y John E. Daniels de UNSW Australia. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Comercio con el número de concesión 70NANB13H197, el Departamento del Ejército de EE. UU. Con el número de concesión W911NF-09-1-0435, y la National Science Foundation con el número de subvención DMR 0843934.
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Carolina del Norte . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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