Materialwissenschaftler zeigen Möglichkeiten für die Entwicklung optischer Materialien mit speziellen Eigenschaften auf

Während wir normalerweise denken, dass Unordnung eine schlechte Sache ist, hat ein Team von Materialwissenschaftlern unter der Leitung von Rohan Mishra von der Washington University in St. Louis und Jayakanth Ravichandran von der University of Southern California das herausgefunden – wenn es um Gewissheit geht Kristalle – eine kleine strukturelle Unordnung könnte große Auswirkungen auf nützliche optische Eigenschaften haben.

In einem Studie online veröffentlicht In Fortgeschrittene WerkstoffeDie Erstautoren Boyang Zhao, ein USC-Doktorand in Materialwissenschaften, der mit Ravichandran zusammenarbeitet, und Guodong Ren, ein Doktorand, der mit Mishra am WashU-Institut für Materialwissenschaften und -technik arbeitet, beschreiben einen neuen Weg, um aus struktureller Unordnung neuartige optische und elektronische Eigenschaften zu erhalten .

Sie fanden heraus, dass winzige Verschiebungen von nur wenigen Pikometern – das ist 100.000 Mal kleiner als die Dicke eines Blattes Papier – in der Atomstruktur eines Kristalls minimale Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften in einer Richtung haben können, in einer anderen Richtung jedoch zu enormen Funktionsverbesserungen führen können Winkel.

In diesem Fall änderte sich der Brechungsindex des Materials, also wie stark Licht beim Durchgang von seinem ursprünglichen Weg abgelenkt oder abgelenkt wird, mit der atomaren Unordnung dramatisch.

Solche funktionellen Verbesserungen könnten praktische Anwendungen in der Bildgebung, der Fernerkundung und sogar in der Medizin haben. Durch die Steuerung des Grads der atomaren Unordnung zur Erzielung gewünschter optischer Eigenschaften beabsichtigen die Forscher die Entwicklung von Kristallen, die eine fortschrittliche Infrarotbildgebung bei schlechten Lichtverhältnissen ermöglichen und so beispielsweise die Leistung autonomer Fahrzeuge, die nachts fahren, oder medizinischer Bildgebungsgeräte verbessern.

„Wir arbeiten seit Jahren an Halbleitermaterialien, bewegen uns dabei schrittweise im Periodensystem nach unten und suchen nach Materialien, die sich gut verhalten, aber auch interessante oder unerwartete Dinge bewirken“, sagte Ravichandran, Philip and Cayley MacDonald Endowed Early Career Chair und außerordentlicher Professor in die Viterbi School of Engineering am USC.

„Als wir anfingen, nach Wegen zu suchen, um mehr Abstimmbarkeit zu erreichen – um Materialien herzustellen, die ideal für bestimmte Anwendungen geeignet sind – stellten wir fest, dass die Eigenschaften dramatisch schwankten, wenn sie aus verschiedenen Richtungen gemessen wurden.“

Wenn Materialien bei Messung oder Beobachtung aus unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften oder Verhaltensweisen aufweisen, spricht man von Anisotropie. Anisotrope Materialien weisen je nach Betrachtungsweise unterschiedliche Eigenschaften auf, die einen großen Einfluss auf Merkmale wie Lichtdurchlässigkeit, mechanisches Verhalten und andere physikalische oder elektrische Eigenschaften haben können, die für die Funktion alltäglicher Geräte wie Kameras entscheidend sind.

Es war bereits bekannt, dass das Material, das das Team untersuchte, Bariumtitansulfid (BaTiS3), ein sechseckiger Kristall, eine große optische Anisotropie aufweist, aber die Wissenschaftler konnten nicht herausfinden, warum. Es dauerte Jahre der hin und her Zusammenarbeit zwischen den Teams von WashU, USC und verschiedenen nationalen Laboren, aber schließlich löste das Team den Fall.

„Wir sahen große Diskrepanzen zwischen Theorie und Experiment – ​​das Beleuchten des Materials aus verschiedenen Winkeln führte aus unklaren Gründen zu einem großen Unterschied in den optischen Eigenschaften“, sagte Mishra, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Universität McKelvey School of Engineering an der WashU.

„Der Schlüssel dazu waren strukturelle Instabilitäten, die dazu führen, dass sich bestimmte Atome, in diesem Fall die Ti-Atome, in ungeordneter Weise von symmetrischeren Positionen wegbewegen. Kleine anisotrope Verschiebungen zeigten sich in hochauflösenden Synchrotronexperimenten, das wussten wir damals.“ Schauen Sie sich die Atomstruktur mit einem Elektronenmikroskop genauer an.

„Verschiebungen im Pikometermaßstab sind so gering, dass man sie nur findet, wenn man gezielt danach sucht“, fügte Ravichandran hinzu.

Dieser Grad an feinen Details ist normalerweise nicht einmal für die Forschung auf dem neuesten Stand der Materialwissenschaften erforderlich, da Licht so schnell vibriert, dass es lokale Unvollkommenheiten in einem Material glättet. Dieses Mal nicht.

Ren und Zhao mussten sich jede Annahme und jede Theorie ansehen, um herauszufinden, wie sich die Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment erklären ließe, sagten Mishra und Ravichandran und wiesen darauf hin, dass die Lösung dieses Rätsels nur durch Zusammenarbeit möglich sei.

Mithilfe einer Kombination fortschrittlicher Techniken, darunter Einkristall-Röntgenbeugung, Festkörper-Kernspinresonanz und Rastertransmissionselektronenmikroskopie, fanden die Forscher Hinweise auf anisotrope Atomverschiebungen der Titanatome in BaTiS3. Diese unglaublich kleinen, pikoskaligen Verschiebungen finden in lokalen Clustern innerhalb des Materials statt, üben jedoch einen tiefgreifenden Einfluss auf die globalen optischen Eigenschaften aus.

„Das Entscheidende ist, dass kleine Verschiebungen große Auswirkungen haben können“, sagte Mishra. „Wir erforschen immer noch, wie Faktoren wie die Temperatur die optischen Eigenschaften dieses Materials verändern könnten, aber mit dieser Studie haben wir ein tiefes Verständnis für den Zusammenhang zwischen struktureller Störung und optischer Reaktion entwickelt. Das wird uns bei der weiteren Entdeckung neuer Materialien und Funktionalitäten helfen.“ „