在电子技术中，关键材料特性会随着电压或电流等刺激而发生变化。科学家的目标是从纳米级(几个原子)和微米级(一张纸的厚度)的材料结构角度来理解这些变化。中尺度(跨度为 100 亿分之一米到 100 万分之一米)之间的领域经常被忽视。

美国能源部阿贡国家实验室的科学家与莱斯大学和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室合作，在理解电场下铁电材料的中尺度特性方面取得了重大进展。这项研究发表在《科学》杂志上。

这一突破有望推动计算机内存、科学仪器激光器和超精密测量传感器领域的进步。

铁电材料是一种含有铅、镁、铌和钛的复杂混合物的氧化物。科学家将这种材料称为弛豫铁电体。它的特点是存在微小的正负电荷对(或偶极子)，这些电荷会聚集成簇，称为“极性纳米域”。

在电场作用下，这些偶极子会朝同一方向排列，导致材料变形或变形。同样，施加应变也会改变偶极子的方向，从而产生电场。

阿贡物理学家岳曹表示：“如果你在纳米尺度上分析一种材料，你只能了解极小区域内的平均原子结构。但材料不一定是均匀的，也不会在所有部分以相同的方式对电场做出反应。这就是中尺度可以描绘出一幅连接纳米到微米尺度的更完整的图景的地方。”

莱斯大学雷恩·马丁教授的研究小组制作了一种基于弛豫铁电体的功能齐全的装置，用于在工作条件下测试这种材料。其主要成分是弛豫铁电体薄膜(55 纳米)，夹在纳米级层之间，这些纳米级层充当电极，用于施加电压并产生电场。

阿贡团队成员利用阿贡先进光子源 (APS) 26-ID 和 33-ID 区中的光束线，绘制了弛豫器内的中尺度结构。

这项实验成功的关键在于一项称为相干 X 射线纳米衍射的专业功能，该功能可通过阿贡纳米材料中心和 APS 运营的硬 X 射线纳米探针(光束线 26-ID)获得。两者都是美国能源部科学办公室的用户设施。

结果表明，在电场作用下，纳米域自组装成由偶极子组成的中尺度结构，这些偶极子排列成复杂的瓦片状图案。研究小组确定了沿着该图案边界的应变位置以及对电场反应更强烈的区域。

阿贡杰出研究员约翰·米切尔指出：“这些亚微米级结构代表了一种以前未知的纳米域自组装新形式。令人惊奇的是，我们可以将它们的起源追溯到底层的纳米级原子运动......”

马丁说：“我们对中尺度结构的深入了解为设计以人们想象不到的方式工作的小型机电设备提供了一种新方法。”

“APS 最近进行了升级，现在可以发射更明亮、更连贯的X 射线束，这将使我们能够继续改进我们的设备，”这项研究的主要作者、APS 光束线科学家郑浩说道。

“然后我们可以评估该设备是否适用于节能微电子技术，例如以人脑为模型的神经形态计算。”低功耗微电子技术对于满足全球电子设备(包括手机、台式电脑和超级计算机)日益增长的电力需求至关重要。