Los materiales conocidos como ferroeléctricos relajantes han desempeñado un papel importante durante décadas en tecnologías como las imágenes de ultrasonido, los micrófonos y el sonar. Su comportamiento inusual proviene de la forma en que están dispuestos los átomos en su interior. Sin embargo, esa estructura interna ha sido extremadamente difícil de medir directamente, lo que ha obligado a los científicos a depender de modelos incompletos.
Ahora, investigadores del MIT e instituciones aliadas han mapeado, por primera vez, la estructura atómica tridimensional de un ferroeléctrico relajado. Sus resultados serán publicados. cienciaOfrece una base clara para mejorar los modelos utilizados para diseñar futuros sistemas informáticos, dispositivos de energía y sensores avanzados.
“Ahora que comprendemos mejor qué está sucediendo exactamente, podemos predecir y diseñar mejor las propiedades que queremos lograr”, dijo el autor correspondiente James Lebeau, profesor Kyocera de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el MIT. “La comunidad de investigación todavía está desarrollando métodos para diseñar estos materiales, pero para predecir las propiedades de esos materiales, es necesario saber si su modelo es correcto”.
Revelando patrones de carga ocultos en materiales complejos
En el estudio, el equipo utilizó un método de imágenes de vanguardia para examinar cómo se distribuyen las cargas eléctricas por todo el material. Lo que encontraron desafió las suposiciones anteriores.
“Nos dimos cuenta de que el desorden químico que vimos en nuestros experimentos no se había considerado completamente antes”, dijeron los coautores Michael Xu PhD ’25 y Menglin Zhu, ambos postdoctorados en el MIT. “Al trabajar con nuestros colaboradores, pudimos combinar observaciones experimentales con simulaciones para refinar los modelos y predecir mejor lo que vemos en los experimentos”.
El equipo de investigación también incluyó a Colin Gilgenbach y Bridget R. Denzer, estudiantes de doctorado del MIT en ciencia e ingeniería de materiales; Yubo Cui, profesor asistente de la Universidad de Alabama en Birmingham; Jeon Kim, profesor asistente del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea; Jiahao Zhang, ex estudiante de doctorado de la Universidad de Pensilvania; Lane W. Martin, profesor de la Universidad Rice; Y el profesor Andrew M. Rape de la Universidad de Pensilvania.
Examinando la materia desordenada a escala atómica
Los modelos informáticos han sugerido durante mucho tiempo que cuando se aplica un campo eléctrico a ferroeléctricos relajantes, las interacciones entre átomos cargados positiva y negativamente dentro de regiones pequeñas les ayudan a crear fuertes capacidades de detección y almacenamiento de energía. Hasta ahora, esas regiones a nanoescala no podían observarse directamente.
Para investigar más a fondo, los investigadores se centraron en un material ampliamente utilizado que se encuentra en sensores, actuadores y sistemas de defensa, una aleación de niobato de plomo y titanato de plomo. Aplicaron una técnica avanzada llamada tipografía electrónica de cortes múltiples (MEP). El método implica escanear un haz a nanoescala de electrones de alta energía a través del material y registrar los patrones de dispersión resultantes.
“Hacemos esto de forma secuencial y en cada posición obtenemos un patrón de dispersión”, explica Zhu. “Esto crea regiones de superposición, y esa superposición contiene suficiente información para utilizar un algoritmo para reconstruir información tridimensional sobre el objeto y la función de onda del electrón”.
Utilizando este enfoque, el equipo descubrió una jerarquía en capas de estructuras químicas y polares, que abarca desde átomos individuales hasta características mesoscópicas más grandes. También descubrieron que las regiones con diferentes polarizaciones eran significativamente más pequeñas de lo previsto en simulaciones anteriores. Al incorporar estas observaciones en sus modelos, los investigadores pudieron mejorar en qué medida las simulaciones coincidían con el comportamiento del mundo real.
“Antes, estos modelos básicamente tenían regiones aleatorias de polarización, pero no decían cómo se relacionaban estas regiones entre sí”, dijo Xu. “Ahora podemos brindarles esa información y podemos ver cómo diferentes especies químicas modifican la polarización dependiendo del estado de carga del átomo”.
Hacia mejores materiales para las tecnologías futuras
Según Zhu, los resultados resaltan el creciente poder de la tipografía electrónica para explorar materiales complejos y desordenados y podrían conducir a nuevas líneas de investigación.
“Este estudio es la primera vez en un microscopio electrónico que hemos podido conectar directamente la estructura polar tridimensional de los ferroeléctricos relajantes con cálculos de dinámica molecular”, dijo Xu. “También demuestra que se puede obtener información tridimensional a partir de muestras utilizando esta técnica”.
El equipo cree que este enfoque podría ayudar a los científicos a diseñar materiales con propiedades electrónicas personalizadas, mejorando tecnologías como el almacenamiento de memoria, los sistemas de detección y los dispositivos de energía.
“La ciencia de los materiales está añadiendo más complejidad al proceso de diseño de materiales, ya sea para aleaciones metálicas o semiconductores, a medida que la IA mejora y nuestras herramientas computacionales mejoran”, dijo LeBeau. “Pero si nuestros modelos no son lo suficientemente precisos y no tenemos forma de validarlos, es basura entre la basura. Esta técnica nos ayuda a comprender por qué el material se comporta de la manera que lo hace y valida nuestros modelos”.
La investigación contó con el apoyo del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., la Oficina de Investigación Naval de EE. UU., el Departamento de Guerra de EE. UU. y una beca nacional de posgrado en ciencias. El trabajo se realizó utilizando las instalaciones MIT.nano.
