Fin struktur afsløret af potentielt alternativ til blyforbindelse, der bruges i sensorer

Den fine struktur af bariumtitanit, et potentielt alternativ til blytitanit, er blevet afsløret af forskere, der anvender en ny teknik i løbet af den ekstremt korte periode, som de ferroelektriske fænomener, som disse materialer oplever, forekommer. Undersøgelsen skal hjælpe med yderligere undersøgelse af, hvordan blytitanat udskiftes med andre materialer, så dens udbredte anvendelighed kan nydes, samtidig med at dens rolle i blyforurening undgås.

Forskere i Japan har brugt en roman, ultrahurtig teknik til at udforske den fine struktur af et potentielt alternativt materiale til at føre titanat, et ferroelektrisk materiale, der i vid udstrækning bruges til sensorer i mange daglige enheder. At forstå denne struktur tager os et skridt tættere på at fjerne disse resterende kilder til blyforurening.

Undersøgelsen optrådte i materialevidenskabstidsskriftet Acta Materialia den 21. januar.

Ferroelektriske materialer bruges i en lang række praktiske anvendelser, fra kondensatorer til hukommelsesceller, medicinsk ultralyd til datalagring og skærme. Disse materialer har en spontan polarisering, eller retning, af deres elektroner, der kan skiftes frem og tilbage via anvendelse af et elektrisk felt, kaldes ferroelektricitet.

I hele verden, samfundet erkender i stigende grad behovet for at reducere forurening fra alle aktiviteter og enheder, men for at fremme dette mål, en endnu dybere forståelse af strukturen i mange materialer, der i øjeblikket bruges, skal først opnås. Blandt den meget store familie af forskellige ferroelektriske materialer, blytitanat bruges almindeligvis i sensorer, der måler tryk, acceleration, temperatur, belastning, eller tvinge i en flok almindelige anordninger. Blyforurening har for længst vist sig at være enormt skadelig for den menneskelige hjerne, og mens de fleste jurisdiktioner har forbudt bly i maling og benzin, jagten på at udvikle alternative materialer til sådanne enheder mangler endnu at blive afsluttet.

Nogle undersøgelser er blevet udført på perovskittitanater, en familie af ferroelektriske materialer, der kombinerer titaniumoxid (TiO) med enten bly, barium, strontium eller calcium. Perovskit -præfikset beskriver ganske enkelt krystalstrukturen, som hver af familiens medlemmer deler. En fælles krystalstruktur betyder igen, at bly potentielt kan erstattes med det mindre miljøfarlige barium (på grund af at deres ioner har en lignende størrelse og ladning).

Denne tidligere forskning havde identificeret en klar sammenhæng mellem hybridisering af elektronorbitaler af perovskittitanats forskellige bestanddele og dets ferroelektriske egenskaber.

"Det næste trin var derfor på en eller anden måde at opnå direkte observation af disse elektroners tilstand, mens det elektriske felt blev anvendt, "siger Nobuo Nakajima fra Graduate School of Advanced Science and Engineering ved Hiroshima University, medforfatter af undersøgelsen. "Dette krævede ultrahurtige observationer."

Så teamet kombinerede røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) med en tidsopløst tilgang. XAS involverer interaktionen mellem en røntgenstråle og atomets dybe kernelektroner frem for dets ydre (eller valens) elektroner. Måling af denne interaktion tillader beskrivelse af materialets fine struktur. En tidsopløst fremgangsmåde indebærer brug af denne teknik til at studere de dynamiske ændringer i materialet på den slags ekstremt korte tidsskalaer, hvor fænomener som ferroelektrisk polarisering vendes. Det giver forskerne mulighed for at opdage de mindste ændringer i spektre og elektroniske tilstande under elektriske felter. Kombinationen af ​​de to teknikker blev udført for første gang, på bariumtitanat.

Forskerne fandt ud af, at ud over orbitalhybridiseringen mellem titanium og ilt, der allerede var blevet identificeret, en lignende effekt blev set mellem barium og tilstanden af ​​titaniumelektroner. Dette bidrog også til polarisationsomvendelsen i bariumtitanat.

De håber, at deres nye teknik, der anvendes på et parallelt perovskit -titanat, kunne give spor til, hvad de betegner som "skjult natur" af blytitanat, og tage verden et skridt tættere på at fjerne blyforurening.