此图显示了新形成的反铁电体中的交替电偶极子，该反铁电体是通过将铁酸铋层与其他绝缘体堆叠而形成的。信用:蒙迪等人，科学进展传统电池很像骆驼。它们非常适合储存和运输，但速度并不算快。对于需要快速释放能量的技术，如心脏除颤器，通常使用替代材料；其中最重要的是反铁电体。
已知的反铁电材料屈指可数，而且大部分都含有铅，因此对于日常应用来说不够安全。现在，康奈尔大学领导的一项合作发现了一种制造无铅反铁电体的新方法，其性能与其有毒的同类产品一样好。
该团队的论文《用界面静电工程释放隐藏的反铁电相》于2月2日在科学进展发表。资深作者是达雷尔·施罗姆，工程学院的赫伯特·菲斯克·约翰逊工业化学教授。朱莉娅·蒙迪，哈佛大学博士；Zürich理工大学的巴斯汀·格罗索；和国家标准与技术研究所中子研究中心的科林·a·海克斯博士是共同第一作者。
像它们更为人所知的磁性表亲一样，铁电体和反铁电体是一类具有信息位的材料，称为偶极子，排列成一种模式。在铁电体中，偶极子的方向是相同的。在反铁电体中，偶极子交替出现，即上、下、上、下。由于相邻的偶极相互抵消，这种材料没有净极化。
最初，研究人员开始在铁酸铋薄膜上进行实验，铁酸铋是已知材料中极化最高的铁电体。他们将铁酸铋和其他绝缘体交替层叠在一起，创造出一种类似欧洲面包师的精致蛋糕的结构，只是这种铁电夹层的每一层都比人类头发的直径薄不到一千倍。随着铁电层变薄，一些意想不到的事情发生了。研究人员发现，他们的超高极化铁电体突然转变为无净极化的反铁电体。这样，一个以前未知的基态诞生了，这在大块晶体中是不可能的。
“通常，我们总是研究物质最稳定的形式——它的最低能态，”蒙迪说。“通过使用我们的薄膜技术，我们发现有可能稳定通常无法达到的更高能量状态。在这种情况下，更高的能量和以前未知的状态具有非常有用的性质。”
通过与塞缪尔·埃克特工程教授大卫·穆勒的合作，该团队能够利用电子显微镜像素阵列探测器(EMPAD)更深入地观察材料的“隐藏”状态，该探测器能够以创纪录的分辨率观察原子。这使得研究人员能够看到材料内部的电场，并首次对反铁电偶极子的极化进行成像。
根据Schlom的说法，这些偶极子的行为本质上是一场“两个巨人的战斗”，铁电材料试图极化叠层中的相邻绝缘层，而相邻绝缘层试图阻止被极化。为了理解这些静电相互作用，以及解释它们稳定的新反铁电性的理论，康奈尔团队与哈佛大学的合作者合作；宾夕法尼亚州立大学；加州大学伯克利分校；Zürich理工大学；橡树岭国家实验室；和莱布尼茨晶体生长研究所。
“很难看到亚稳态的东西；即使是理论家也没有意识到铁酸铋可以采取这种形式，”施罗姆说。“但是朱莉娅看到了，通过电子显微镜，她能够绘制极化图，看到，哇，它看起来、闻起来和感觉上都像反铁电体。有了它存在的线索，理论家们能够精确地描述这种新基态的结构和稳定性，并确定静电学如何扰动能量场，使这种反铁电形成稳定态。”
Schlom称这种新的基态为“多晶型”，因为它仍然拥有相同的原子，只有轻微的结构变化。
二十年来，施罗姆的研究小组一直专注于通过施加应变来改变材料的能量景观和特性:拉伸单晶衬底上的薄膜。现在，静电工程提供了一种新的工具，一种电气工具，而不是机械工具。
“这种材料的美妙之处在于，理论表明，仅靠应变无法稳定这种反铁电状态。所以这是一个新的旋钮，”施罗姆说。“我认为这种材料有很多应用，你想从中获得领先。反铁电体用于电容器；它已经是薄膜形式了。这使得我们消除对铅需求的堆叠方法非常适用。”
合著者包括:穆勒；应用与工程物理副教授Lena Kourkoutis博士生王哲和贝里特·古德格；博士后研究员邵玉春；以及来自哈佛大学、宾夕法尼亚州立大学、加州大学伯克利分校、Zürich理工大学、橡树岭国家实验室和莱布尼茨晶体生长研究所的研究人员。
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