材料科学家揭示了设计具有特殊性能的光学材料的途径

虽然我们通常认为无序是一件坏事，但由圣路易斯华盛顿大学的RohanMishra和南加州大学的JayakanthRavichandran领导的材料科学研究小组透露，当涉及到某些晶体——一点点的结构紊乱可能会对有用的光学特性产生很大的影响。

在《先进材料》在线发表的一项研究中，第一作者赵博阳(与Ravichandran一起工作的南加州大学材料科学研究生)和任国栋(与华盛顿大学材料科学与工程研究所的Mishra一起工作的研究生)描述了一种获得结构无序带来的新颖的光学和电子特性。

他们发现，晶体原子结构中几皮米的微小位移(比一张纸的厚度小100,000倍)可能对一个方向的光学特性影响最小，但从另一个方向观察时会产生巨大的功能增强角度。

在这种情况下，材料的折射率，或者光通过时弯曲或偏离其原始路径的程度，会随着原子无序性而发生巨大变化。

这种功能增强可以在成像、遥感甚至医学领域有实际应用。通过控制原子无序程度以实现所需的光学特性，研究人员预计开发出能够在弱光条件下实现先进红外成像的晶体，例如提高夜间驾驶的自动驾驶汽车或医疗成像设备的性能。

PhilipandCayleyMacDonald早期职业主席兼副教授Ravichandran表示：“我们多年来一直致力于半导体材料的研究，逐渐沿着元素周期表向下移动，寻找性能良好但也能做出有趣或意想不到的事情的材料。”南加州大学维特比工程学院。

“当我们开始寻找获得更多可调性的方法时，即制作最适合特定应用的材料时，我们发现从不同方向测量时，性能会发生巨大变化。”

当从不同方向测量或观察时，材料具有不同的属性或行为，这称为各向异性。各向异性材料具有不同的特性，具体取决于您如何看待它们，这会对光传输、机械行为以及对相机等日常设备的功能至关重要的其他物理或电气特性产生巨大影响。

该团队研究的材料是硫化钛钡(BaTiS3)，一种六方晶体，已知具有很大的光学各向异性，但科学家们无法弄清楚其中的原因。华盛顿大学、南加州大学和各个国家实验室的团队经过多年的反复合作，最终破获了这个案子。

“我们发现理论和实验之间存在巨大差异——以不同角度照射材料会导致光学特性产生巨大差异，但原因尚不清楚，”该校机械工程与材料科学副教授米什拉说。华盛顿大学麦凯维工程学院。

“事实证明，关键在于结构不稳定性，导致某些原子(在本例中为钛原子)以无序的方式从更对称的位置移开。高分辨率同步加速器实验中出现了小的各向异性位移，然后我们知道使用电子显微镜仔细观察原子结构。”

拉维钱德兰补充说：“皮米级的位移非常小，只有专门寻找它们才能找到它们。”

即使对于尖端材料科学研究，通常也不需要这种精细的细节，因为光振动如此之快，以至于可以平滑材料中的局部缺陷。这次不行。

米什拉和拉维钱德兰表示，任和赵必须审视每一个假设和每一个理论，以找出如何解释理论与实验之间的不匹配，并指出只有通过合作才能解决这个谜团。

研究人员结合使用单晶X射线衍射、固态核磁共振和扫描透射电子显微镜等先进技术，发现了BaTiS3中钛原子各向异性原子位移的证据。这些极其微小的皮尺度位移发生在材料内的局部簇中，但它们对整体光学特性产生了深远的影响。

“关键是微小的位移可以产生巨大的影响，”米什拉说。“我们仍在探索温度等因素如何改变这种材料的光学特性，但通过这项研究，我们对结构紊乱和光学响应之间的关系有了深入的了解。这将有助于我们继续发现新材料和功能。”