精细的结构揭示了传感器中铅化合物的潜在替代品

来自BaTiO_3薄膜的荧光X射线由带有时间标记信息的固态检测器检测，该时间标记信息与薄膜上的施加电压同步以获得光谱的时间变化。图片来源：广岛大学中岛信男

研究人员在极短的时间内就采用了一种新技术，揭示了钛酸钡的精细结构，它是钛酸铅的一种潜在替代物，这些材料会发生铁电现象。该调查应有助于进一步探索如何用其他材料替代钛酸铅，以便在避免其在铅污染中的作用的同时享有其广泛的适用性。

日本的研究人员使用了一种新颖的超快技术来探索钛酸铅这一潜在替代材料的精细结构，钛酸铅是一种铁电材料，广泛用于许多日常设备的传感器中。了解这种结构会使我们向消除这些残留铅污染源的方向迈进了一步。

该研究于1月21日发表在材料科学杂志Acta Materialia上。

铁电材料广泛用于实际应用中，从电容器到存储单元，从医疗超声到数据存储和显示。这些材料具有电子的自发极化或方向，可以通过施加称为铁电的电场来回切换电子。

在世界范围内，社会越来越意识到减少所有活动和设备污染的必要性，但是为了实现这一目标，必须首先对当前使用的许多材料的结构有更深入的了解。在各种铁电材料的非常大的系列中，钛酸铅通常用于传感器中，这些传感器可测量许多常用设备中的压力，加速度，温度，应变或力。长期以来，铅污染已被证明会对人脑造成巨大破坏，尽管大多数国家/地区都禁止使用油漆和汽油中的铅，但为此类设备开发替代材料的探索仍未完成。

已经对钙钛矿钛酸盐进行了一些研究，钙钛矿是一种铁电材料，将氧化钛（TiO）与铅，钡，锶或钙结合在一起。钙钛矿前缀简单地描述了晶体结构，家族中的每个成员都共享该晶体结构。普通的晶体结构又意味着铅可能会被对环境危害较小的钡取代（因为它们的离子具有相似的大小和电荷）。

这项较早的研究已经确定了钙钛矿钛酸酯不同组成原子的电子轨道的杂化与其铁电特性之间的明确联系。

这项研究的共同作者，广岛大学高级科学与工程学研究生院的中岛伸男说：“因此，下一步就是在施加电场时以某种方式直接观察这些电子的状态。” “这需要超快速的观察。”

因此，该团队将X射线吸收光谱（XAS）与时间分辨方法结合在一起。XAS涉及X射线与原子的深核电子而不是其外部（或价）电子的相互作用。该相互作用的测量允许描述材料的精细结构。时间分辨方法涉及使用该技术在极短的时间尺度上研究材料中的动态变化，在极短的时间尺度上会发生诸如铁电极化反转之类的现象。它使研究人员能够检测电场下光谱和电子状态的最小变化。这两种技术的结合是首次在钛酸钡上进行的。

研究人员发现，除了已经确定的钛和氧之间的轨道杂化之外，钡和钛电子状态之间也发现了类似的作用。这也有助于钛酸钡的极化反转。

他们希望将他们的新颖技术应用于平行的钙钛矿钛酸盐，可以为他们所描述的钛酸铅的“隐藏性质”提供线索，并使世界朝着消除铅污染迈出更进一步的一步。

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