这种由锶(非彩色)、钡(红色)和钛(蓝绿色)构成的层状结构是一种可调电介质，可以改善高频电子器件的性能。
数以百万计的手机依赖钛酸锶钡来调整或“调谐”它们的天线电路，以实现清晰的接收。康奈尔领导的一项合作创造了一种新材料，将为下一代手机和其他高频电子产品带来这种清晰度和额外的带宽。
12月23日，该团队发表在《自然材料》杂志上的论文《目标化学压力产生可调毫米波电介质》。
如今的手机，包括最新的5G手机，工作频率低于6千兆赫兹(GHz)，但是第二波5G和预期的6G蜂窝通信将要求频率高于30千兆赫兹，在这个范围内钛酸锶钡的表现并不好。
赫伯特·菲斯克·约翰逊(Herbert Fisk Johnson)工业化学教授、资深作者达雷尔·施洛姆(Darrell Schlom)说:“我们的材料具有与今天手机材料相同的性能，只是频率提高了100倍。”“这是一个大问题，因为当你增加频率，你得到更多的带宽。所以更多的数据可以流动。人们渴望得到数据，尤其是手机上的数据。”
施洛姆与塞缪尔•b•埃克特(Samuel B. Eckert)工程学教授戴维•穆勒(David Muller)和应用与工程物理学副教授克雷格•范尼(Craig Fennie)合作。2013年，该团队利用分子束外延技术制造了一种层状的氧化锶钛。这种绝缘体也是一种可调电介质，通过去除钛酸钡锶中的钡元素，将电路电容器的性能提高到约40 GHz。
“以前的材料有点‘损耗’，这意味着他们浪费了很多能量，把它变成了热量，而不是对天线进行有用的调整。部分原因是钡原子和锶原子的混合物是随机加入的。“我们发现，订购锶之后，损失就少了。所以这一次，在克雷格的指导下，我们没有把原子随意地扔进去，而是让它们随便落在什么地方，我们试图把两种不同类型的原子放在不同的层中，消除一些随机性和无序性。通过消除无序，我们就消除了损耗和功耗。”
在Fennie的建议下，Schlom的团队通过一种叫做定向化学压力的技术，将钡重新引入到他们的氧化锶钛介电介质中。
Fennie说:“我有一种直觉，这是可行的，我花了将近一年的时间进行计算，最终证明了这种方法的前景。”“当然，把原子放到电脑上想要的位置并模拟这种假想材料的表现是一回事，而让它们进入这些位置则完全是另一回事，而在这种情况下，这些位置恰好是原子们并不真正想要的位置。”
“这个项目的挑战之一是，我们试图制造一种不仅不存在于自然界，而且也不想存在于自然界的材料，”Schlom说。“我的意思是，它在热力学上是不稳定的。所以我们试图在自然母亲想要找到另一种方式来安排这些原子的地方放置一层原子。发展综合科学来克服这个挑战是我的学生娜塔莉·道利博士研究的代表作。”
由此产生的材料，其整齐的钡层，能够在高达125吉赫兹的频率下工作，远远高于下一波5G甚至6G移动服务所需的30吉赫兹。可调介电体也可以用于防御应用，如电子欺骗，其中一个信号被部署来混淆高频雷达系统。
论文的共同作者是纳塔利·道利博士。合著者包括博士生Megan Holtz，博士后研究员Gerhard Olsen和本科生Jingshu Zhang’14。来自国家标准与技术研究所、捷克科学院物理研究所和莱布尼茨晶体生长研究所的研究人员也做出了贡献。
这项研究主要得到了美国能源部的支持。国家科学基金会和捷克科学基金会提供了额外的支持。
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