來自BaTiO_3薄膜的熒光X射線由帶有時(shí)間標(biāo)記信息的固態(tài)檢測(cè)器檢測(cè)，該時(shí)間標(biāo)記信息與薄膜上的施加電壓同步以獲得光譜的時(shí)間變化。圖片來源：廣島大學(xué)中島信男

研究人員在極短的時(shí)間內(nèi)就采用了一種新技術(shù)，揭示了鈦酸鋇的精細(xì)結(jié)構(gòu)，它是鈦酸鉛的一種潛在替代物，這些材料會(huì)發(fā)生鐵電現(xiàn)象。該調(diào)查應(yīng)有助于進(jìn)一步探索如何用其他材料替代鈦酸鉛，以便在避免其在鉛污染中的作用的同時(shí)享有其廣泛的適用性。

日本的研究人員使用了一種新穎的超快技術(shù)來探索鈦酸鉛這一潛在替代材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)，鈦酸鉛是一種鐵電材料，廣泛用于許多日常設(shè)備的傳感器中。了解這種結(jié)構(gòu)會(huì)使我們向消除這些殘留鉛污染源的方向邁進(jìn)了一步。

該研究于1月21日發(fā)表在材料科學(xué)雜志Acta Materialia上。

鐵電材料廣泛用于實(shí)際應(yīng)用中，從電容器到存儲(chǔ)單元，從醫(yī)療超聲到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示。這些材料具有電子的自發(fā)極化或方向，可以通過施加稱為鐵電的電場(chǎng)來回切換電子。

在世界范圍內(nèi)，社會(huì)越來越意識(shí)到減少所有活動(dòng)和設(shè)備污染的必要性，但是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須首先對(duì)當(dāng)前使用的許多材料的結(jié)構(gòu)有更深入的了解。在各種鐵電材料的非常大的系列中，鈦酸鉛通常用于傳感器中，這些傳感器可測(cè)量許多常用設(shè)備中的壓力，加速度，溫度，應(yīng)變或力。長(zhǎng)期以來，鉛污染已被證明會(huì)對(duì)人腦造成巨大破壞，盡管大多數(shù)國(guó)家/地區(qū)都禁止使用油漆和汽油中的鉛，但為此類設(shè)備開發(fā)替代材料的探索仍未完成。

已經(jīng)對(duì)鈣鈦礦鈦酸鹽進(jìn)行了一些研究，鈣鈦礦是一種鐵電材料，將氧化鈦（TiO）與鉛，鋇，鍶或鈣結(jié)合在一起。鈣鈦礦前綴簡(jiǎn)單地描述了晶體結(jié)構(gòu)，家族中的每個(gè)成員都共享該晶體結(jié)構(gòu)。普通的晶體結(jié)構(gòu)又意味著鉛可能會(huì)被對(duì)環(huán)境危害較小的鋇取代（因?yàn)樗鼈兊碾x子具有相似的大小和電荷）。

這項(xiàng)較早的研究已經(jīng)確定了鈣鈦礦鈦酸酯不同組成原子的電子軌道的雜化與其鐵電特性之間的明確聯(lián)系。

這項(xiàng)研究的共同作者，廣島大學(xué)高級(jí)科學(xué)與工程學(xué)研究生院的中島伸男說：“因此，下一步就是在施加電場(chǎng)時(shí)以某種方式直接觀察這些電子的狀態(tài)。” “這需要超快速的觀察�！�

因此，該團(tuán)隊(duì)將X射線吸收光譜（XAS）與時(shí)間分辨方法結(jié)合在一起。XAS涉及X射線與原子的深核電子而不是其外部（或價(jià)）電子的相互作用。該相互作用的測(cè)量允許描述材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)。時(shí)間分辨方法涉及使用該技術(shù)在極短的時(shí)間尺度上研究材料中的動(dòng)態(tài)變化，在極短的時(shí)間尺度上會(huì)發(fā)生諸如鐵電極化反轉(zhuǎn)之類的現(xiàn)象。它使研究人員能夠檢測(cè)電場(chǎng)下光譜和電子狀態(tài)的最小變化。這兩種技術(shù)的結(jié)合是首次在鈦酸鋇上進(jìn)行的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，除了已經(jīng)確定的鈦和氧之間的軌道雜化之外，鋇和鈦電子狀態(tài)之間也發(fā)現(xiàn)了類似的作用。這也有助于鈦酸鋇的極化反轉(zhuǎn)。

他們希望將他們的新穎技術(shù)應(yīng)用于平行的鈣鈦礦鈦酸鹽，可以為他們所描述的鈦酸鉛的“隱藏性質(zhì)”提供線索，并使世界朝著消除鉛污染邁出更進(jìn)一步的一步。