Фізики вивчили розподіл атомів різних елементів всередині кристалів сегнетоелектричних релаксорів (в яких перехід в поляризований стан відбувається не стрибком при певній температурі, а розтягується аж до абсолютного нуля) і виявили, що впорядкована і розупорядкована з точки зору хімічного складу фази змінюють один одного не різко, як вважалося раніше, а поступово. Така структура, можливо, дозволить пояснити незвичайний тип фазового переходу і фізичні властивості цього класу матеріалів, пишуть вчені в.
З усіх сегнетоелектричних матеріалів, у яких при зниженні температури нижче певного значення спонтанно з'являється електрична поляризація і в кристалі виникає виражена доменна структура, одним з найбільш незвичайних типів кристалів вважаються сегнетоелектричні релаксори. На відміну від інших сегнетоелектриків, фазовий перехід в них відбувається не різким стрибком при певній температурі, а розтягується і не завершується аж до абсолютного нуля. Через таку поведінку в сегнетоелектричних релаксорах діелектрична проникність сильно змінюється при падінні температури, що призводить до появи незвичайних електромеханічних властивостей, зокрема гігантської електрострикції. Незважаючи на те, що перший релаксор був відкритий ще в кінці 70-х років XX століття, а зараз ці матеріали активно використовуються в якості електричних актуаторів і сенсорів, точний механізм розтягнувся за температурою фазового переходу і його зв'язок з атомною структурою кристала досі викликають велику кількість суперечок.
Щоб якось прояснити це питання, група фізиків з США та Австралії під керівництвом Джеймса Лебо (James M. LeBeau) з Університету штату Північної Кароліни запропонували визначити атомну структуру з урахуванням розподілу в ній атомів різних елементів для найбільш типового представника цього класу матеріалів складу PbMg1/3Nb2/3O3. Для цього вчені запропонували використовувати дві найбільш точні модифікації сучасної електронної мікроскопії, що просвічує растрову: мікроскопію з корекцією аберації і висококутову кільцеву темнопольну томографію, яка дозволяє уникнути дифракційного контрасту і чутлива до масової кількості кожного атома.
Для досліджений кристала характерна структура подвійного перовскіту з двома підрешітками, в одній з яких знаходяться іони свинцю і кисню, а в другій - відповідно, іони ніобію і магнію. І якщо склад першої підрешітки не залежить від положення в кристалі, то в другій підрешітці іони магнію і ніобію можуть займати випадкові позиції, так що в різних ділянках кристала може бути різна концентрація кожного з цих елементів. Завдяки комбінації використаних мікроскопічних методів вченим вдалося отримати карти розподілу іонів Mg2 + і Nb5 + у другій підрешітці і визначити точне розташування хімічно впорядкованих ділянок на різних кристалографічних площинах.
Щоб порядок розподілу іонів можна було оцінити кількісно, фізики ввели чисельний параметр упорядкування хімічного складу кристала. Для цього кожному зі стовпчиків атомів у другій підрешітці присвоювалося чисельне значення, що визначає співвідношення магнію і ніобію (яке коливалося від 0,5 до 1,5 відносно середнього значення), і якийсь із трьох типів фазового складу (фаза, багата магнієм, фаза, багата ніобієм, або проміжна фаза).
Виявилося, що розмір упорядкованих зон у кристалі, в яких стовпчики двох фаз чергуються, склав близько 5 нанометрів, що узгоджується з попередніми експериментальними оцінками. Однак при цьому навіть всередині цих областей атоми були розподілені нерівномірно, і їх концентрація змінювалася від стовпця до стовпчика. При цьому при русі по кристалу на ділянках розміром у кілька кристалічних осередків концентрація фаз змінювалася монотонно, тобто кількість атомів ніобію поступово збільшувалася, а кількість атомів магнію - відповідно, зменшувалася.
Такий градієнтний характер при зміні концентрацій фаз відрізняється від загальноприйнятої зараз моделі кристалічної структури релаксора, згідно з якою два типи кристалічних фаз: з ніобієм або з магнієм - розподілені в розупорядкованій матриці у вигляді ділянок з чіткими кордонами.
За словами авторів дослідження, той факт, що перехід між упорядкованими і розупорядкованими зонами в кристалі відбувається не різкими стрибками, а поступово, ймовірно, допоможе пояснити незвичайні фізичні властивості сегнетоелектричних релаксорів: їх розтягнутий за температурою фазовий перехід і незвичайні електрострикційні властивості. Вчені зазначають, що ця особливість повинна враховуватися при побудові численних і комп'ютерних моделей сегнетоелектричних релаксорів у майбутніх роботах.
Крім взаємного розташування в кристалі впорядкованих і неупорядкованих фаз, що містять різні хімічні елементи, для визначення фізичних властивостей багатьох кристалів часто виявляється важливий і порядок шарів. Особливо залежність від порядку шарів проявляється навіть не в об'ємних кристалах, а у матеріалів, що складаються всього з декількох атомних шарів. Наприклад, у тришаровій графіці під час зміни взаємного положення гексагональних атомних шарів можуть досить помітно змінитися його електронні та оптичні властивості.