Используя нейтронный пучок в качестве зонда, исследователи, работающие в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), начали раскрывать кристаллическую структуру соединения, необходимого для различных технологий, от сонара до компьютерной памяти. Их недавняя работа дает долгожданное понимание того, как на самом деле работает широко используемый материал современной технологии.
Соединение представляет собой «пьезоэлектрик», материал, способный преобразовывать один вид энергии в другой - механическую в электрическую или наоборот. Пьезоэлектрики, долгое время использовавшиеся в гидроакустических системах для обнаружения звуковых волн, в последнее время стали применяться в устройствах, требующих незначительного изменения положения, таких как головка, которая считывает данные с жесткого диска вашего компьютера.
В течение десятилетий промышленным стандартом для пьезоэлектрических устройств был PZT, соединение, содержащее титан, цирконий, свинец и кислород. Кристаллы PZT изменяются в размерах на долю процента, когда на них падает звуковая волна, и это изменение формы создает электрический импульс. Десятилетия назад было обнаружено, что PZT работает лучше всего, когда титан и цирконий присутствуют примерно в равных пропорциях, но никто толком не понял, почему.
«Теории часто касаются того, что происходит на границе между избытком циркония и избытком титана», - говорит Питер Геринг из Центра нейтронных исследований NIST (NCNR). «Некоторые теории предполагают, что непосредственно вблизи переходной зоны атомы принимают особую конфигурацию, которая позволяет некоторым атомам двигаться более свободно, чем в противном случае. Но поскольку вырастить достаточно большой кристалл PZT для анализа было сложно, мы не смогли полностью проверить эти идеи».
Прорыв произошел, когда химикам канадского Университета Саймона Фрейзера удалось вырастить монокристаллы размером в несколько миллиметров и отправить их в НЦЯР для исследования с помощью рассеяния нейтронов - методики определения положения отдельных атомов в комплексе кристаллическую структуру, наблюдая узоры, создаваемые нейтронами, отражающимися от нее. Группа, в которую также входили исследователи из Оксфордского, Токийского и Уорикского университетов, смогла окончательно исключить одну из предложенных структур PZT.
Вместо этого они обнаружили, что каждый кристаллический элемент PZT, вероятно, принимает одну из двух возможных форм, которые сосуществуют в более крупном массиве кристаллов. Эти формы определяются химическим составом и могут влиять на то, насколько хорошо материал работает в больших масштабах. Их результаты также предполагают, что изменение поведения, наблюдаемое при переходе, происходит постепенно, а не при каком-то резко очерченном соотношении циркония к титану.
Геринг говорит, что результаты могут стать шагом к улучшению PZT. «Определение структуры может дать нам перспективу, необходимую для разработки пьезоэлектрического материала из первых принципов, вместо того, чтобы просто экспериментировать и смотреть, что работает», - говорит он. «Это то, что вам нужно, если вы когда-нибудь собираетесь построить лучшую мышеловку».