科学家首创反铁电材料可视化技术

芝加哥大学的科学家在反铁电材料成像方面取得了重大进展，反铁电材料是一类具有独特电学特性的材料，可在储能、传感器和存储设备中开辟潜在的应用。

了解材料的电子特性对于推动尖端技术的发展至关重要。然而，研究人员在对某些类型的材料进行成像以及发现其真实特性和潜力方面面临挑战。

“我们展示了一种用于纳米级新兴反铁电材料的新方法，”化学系助理教授、这项研究的资深作者 Sarah King 说道。“我相信，拥有如此高空间分辨率的新成像技术非常强大。它将在新材料的开发中发挥关键作用。”

该研究于 6 月 14 日发表在《科学进展》上。

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金的实验室使用电子显微镜研究材料，以了解它们的工作原理，然后根据各种用途对其进行定制。在这种情况下，她的团队研究了具有一种称为反铁电性的特殊能力的材料。

反铁电材料非常有价值，因为它们具有特殊的电偶极子排列——部分正电荷和负电荷的排列——它们完全相互抵消，导致材料中没有净正极化或负极化。

通常，电偶极子可以通过不同的方式进行排序，并且它们会形成所谓的“域”，根据材料原子的排列方式，这些域具有不同的排列方式。

至关重要的是，对反铁电材料施加电场可以将其切换到更高的能量状态，此时电偶极子不会相互抵消。这种切换行为对希望释放其潜力的科学家和工程师来说尤其有吸引力，尤其是在电子和储能领域。

然而，开发这些材料也面临挑战，特别是在成像和表征它们以进行修改时。传统的成像技术通常缺乏有效研究这些材料及其动力学所需的分辨率和对比度。

“最大的障碍之一是我们没有很好的方法来确定某种物质是否是反铁电的，因为我们缺乏可视化域的手段，”金解释道。

为了清楚地了解他们的目标，她的实验室现已开创了一种新方法，使研究人员最终能够看清他们的领域。

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基于一种名为偏振相关光发射电子显微镜的先进显微镜技术，该团队能够详细地描绘出一种常用的反铁电材料——硒化铟——的电子特性和畴排列。

这种新方法将激光的偏振光与电子成像相结合，提供了材料特性的更完整图像——绘制了反铁电畴的纳米级排列和方向。

得益于成像技术的这一突破，King 预见了材料科学的未来，科学家可以彻底探索反铁电和铁电材料中的畴变和相变等各个方面。

她特别感兴趣的是材料内的不同属性如何相互作用以创建有序状态，强调顺序和层次结构在域形成中的作用。

该论文的第一作者是研究生 Joseph Spellberg;其他作者包括本科生 Lina Kodaimati、博士后研究员 Prakriti Joshi、研究生 Nasim Mirzajani 以及橡树岭国家实验室的 Liangbo Liang。

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