Nature：可调介电材料或将改善移动通讯拥挤问题

图为艺术家的畴壁变体材料的渲染俯视图，其特征是在铁电晶体薄膜中分离对准偶极子区域的漫射边界。这些二维缺陷可调谐共振波动使微波射频介质损耗降低到超出晶体的固有极限。图片来源：德雷塞尔大学

研究和操纵原子水平材料行为的研究人员已经发现了一种制造薄材料的方法，可以增强微波能量的流动。这种可以改善电信能力为结构特征提供了新的视角。事实上，也就是通常被视为静态障碍变得充满活力时，即为材料特殊能力的关键。

Nature期刊报道的这一发现展示了畴壁-自然发生的边界，将原子与不同的相对位移方向分开，在材料中产生偶极子-实际上可以成为进入更广范围电磁频率的入口。直到这种访问可以扩展用作通信信道的频率范围。

在该论文中，德雷塞尔大学、以色列巴伊兰大学、加州大学伯克利分校、加州大学圣巴巴拉分校、卡内基科学研究所和宾夕法尼亚大学的研究人员展示了如何设计铁电材料。以这种方式，畴壁可用于传输微波，其频率控制程度高于我们目前使用的移动设备。

“随着消费者对移动通信需求的增加，可用的无线频谱越来越拥挤，需要新的技术来创建适应性的、频率灵活的天线，”加州大学圣巴巴拉分校的教授、该论文的共同作者罗伯特约克说。“可调介电材料可能是一种潜在的解决方案。”

使用材料内的畴壁来增强其传输质量是一种特别出乎意料的方法，因为这些边界的存在往往会严重削弱材料通过微波电磁场的能力。到目前为止，用于在射频设备中传输电磁场的最佳薄膜材料通常被认为是没有任何永久偶极矩的单晶材料 - 更不用说畴壁了。

但是研究团队通过创造一种具有高密度畴壁的铁电材料来改变将这种对畴壁的看法，当涉及到可调性和传输质量时，它的性能就会超过单一晶体。

该小组发现，钛酸锶钡薄膜的畴壁是一种经常被研究的铁电材料，其功能就像振动的吉他弦一起产生共振。它不是吸收或散射微波，而是一种密集但有序的振荡域墙的存在，实际上提高了传输的质量。

“即使是质量最好的大块单晶，没有永久的、可重新定向的偶极子，由于晶格中原子振动引起的干扰，在较高频率下会有更高的损耗，”领导这项研究的德雷克塞尔大学材料科学教授乔纳森斯帕尼奥说。 “具有永久偶极子的薄膜材料形成了畴壁，并且损失更加严重。但支持可逆畴壁运动及其振荡行为的薄膜令人惊讶地打破了这种趋势，并在很多频率上产生共振。”

据研究人员介绍，“热力学预测的应变诱导的铁电畴壁变体的接近度和可达性使千兆赫兹的微波可调性和介电损耗超过目前最好的薄膜器件的1-2个数量级，达到相当的值批量单晶，但在一种本质上可调的材料，“他们在文章中写道。

根据研究报告的共同作者、斯潘尼尔研究小组的博士后科学家顾宗全的说法，这种特殊可调性的关键在于不同阶段的丰富程度，“铁电相变温度标志着永久偶极有序的开始。电介质中敏感性的峰值是一种与电容大小相关的热力学性质，是过渡的标志，”顾说。“设计一种薄膜材料，使其在转变附近具有许多更容易获得的”相位“，从而使材料能够在相同的电压下获得更高的电容调谐。”

与斯堪的纳维尔和德雷克塞尔的本科生杰弗里一起，开展了理论和模拟工作，用于预测富含畴壁的能源景观，以指导富含畴壁的钛酸锶钡膜的生产。在伯克利分校的研究人员，由材料科学教授、铁电领域畴壁科学方面的领军人物莱恩马丁领导的研究小组中，还用一种叫做“应变工程”的方法制造了大量的畴壁，并将其描述为第一批样品。

从那里，以色列巴伊兰大学由化学教授 Ilya Grinberg,领导的研究小组，模拟了特殊薄膜材料在不同温度，应变和电场值下的原子尺度动态行为，并将其与 “完美”的没有任何畴壁铁电晶体比较 - 这揭示了材料的特殊性能。

这种固有的可调性，意味着材料具有出色的传输能力，不需要任何外部的机电增强，使其有望用于通信设备 - 有效地获取频谱是至关重要的。

在加州大学圣巴巴拉分校，电气和计算机工程教授和他的博士生Cedric Meyers，制作了电极测试结构，可以测量和分析材料的共振微波响应，包括其可调性。

“自20世纪90年代末以来，可调介电材料一直是我在UCSB小组的研究重点，”约克说。 “尽管早期取得了一些进展，但我们始终遇到了对材料缺乏了解的限制。这项工作有助于更好地理解这些局限并找出潜在的解决方案。”

文章来源于phys网站，由材料新闻在线团队编译，原文题目：Once a performance barrier, material quirk could improve telecommunications