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

研究人員在極短的時間內(nèi)就采用了一種新技術，揭示了鈦酸鋇的精細結(jié)構(gòu)，它是鈦酸鉛的一種潛在替代物，這些材料會發(fā)生鐵電現(xiàn)象。該調(diào)查應有助于進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來探索鈦酸鉛這一潛在替代材料的精細結(jié)構(gòu)，鈦酸鉛是一種鐵電材料，廣泛用于許多日常設備的傳感器中。了解這種結(jié)構(gòu)會使我們向消除這些殘留鉛污染源的方向邁進了一步。

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

鐵電材料廣泛用于實際應用中，從電容器到存儲單元，從醫(yī)療超聲到數(shù)據(jù)存儲和顯示。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來回切換電子。

在世界范圍內(nèi)，社會越來越意識到減少所有活動和設備污染的必要性，但是為了實現(xiàn)這一目標，必須首先對當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，這些傳感器可測量許多常用設備中的壓力，加速度，溫度，應變或力。長期以來，鉛污染已被證明會對人腦造成巨大破壞，盡管大多數(shù)國家/地區(qū)都禁止使用油漆和汽油中的鉛，但為此類設備開發(fā)替代材料的探索仍未完成。

已經(jīng)對鈣鈦礦鈦酸鹽進行了一些研究，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。鈣鈦礦前綴簡單地描述了晶體結(jié)構(gòu)，家族中的每個成員都共享該晶體結(jié)構(gòu)。普通的晶體結(jié)構(gòu)又意味著鉛可能會被對環(huán)境危害較小的鋇取代（因為它們的離子具有相似的大小和電荷）。

這項較早的研究已經(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。

這項研究的共同作者，廣島大學高級科學與工程學研究生院的中島伸男說：“因此，下一步就是在施加電場時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，該團隊將X射線吸收光譜（XAS）與時間分辨方法結(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）電子的相互作用。該相互作用的測量允許描述材料的精細結(jié)構(gòu)。時間分辨方法涉及使用該技術在極短的時間尺度上研究材料中的動態(tài)變化，在極短的時間尺度上會發(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電場下光譜和電子狀態(tài)的最小變化。這兩種技術的結(jié)合是首次在鈦酸鋇上進行的。

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應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一步的一步。