Den fina strukturen av bariumtitanit, ett potentiellt alternativ till blytitanit, har avslöjats av forskare som använder en ny teknik under den extremt korta tidsperiod som de ferroelektriska fenomen som upplevs av dessa material inträffar. Utredningen bör bidra till ytterligare utforskning av hur man kan ersätta blytitanat med andra material, så att dess utbredda tillämpbarhet kan åtnjutas samtidigt som dess roll i blyförorening undviks.

Forskare i Japan har använt en roman, ultrasnabb teknik för att utforska den fina strukturen hos ett potentiellt alternativt material till blytitanat, ett ferroelektriskt material som ofta används för sensorer i många vardagliga enheter. Att förstå denna struktur tar oss ett steg närmare att eliminera dessa återstående källor till blyföroreningar.

Studien publicerades i materialvetenskapstidskriften Acta Materialia den 21 januari.

Ferroelektriska material används i ett brett spektrum av praktiska tillämpningar, från kondensatorer till minnesceller, medicinsk ultraljud till datalagring och displayer. Dessa material har en spontan polarisering, eller riktning, av deras elektroner som kan växlas fram och tillbaka via applicering av ett elektriskt fält, kallas ferroelektricitet.

Över hela världen, samhället inser alltmer behovet av att minska föroreningar från alla aktiviteter och anordningar, men för att främja detta mål, en ännu djupare förståelse av strukturen hos många material som för närvarande används måste först uppnås. Bland den mycket stora familjen av olika ferroelektriska material, blytitanat används ofta i sensorer som mäter tryck, acceleration, temperatur, anstränga, eller kraft i en rad vanliga anordningar. Blyföroreningar har för länge sedan visat sig vara oerhört skadliga för den mänskliga hjärnan, och medan de flesta jurisdiktioner har förbjudit bly i färg och bensin, strävan efter att utveckla alternativa material för sådana enheter återstår ännu att slutföras.

Viss forskning har utförts på perovskit-titanater, en familj av ferroelektriska material som kombinerar titanoxid (TiO) med antingen bly, barium, strontium eller kalcium. Perovskitprefixet beskriver helt enkelt kristallstrukturen, var och en av familjens medlemmar delar. En gemensam kristallstruktur innebär i sin tur att bly potentiellt kan ersättas med det mindre miljöhotande bariumet (på grund av att deras joner har en liknande storlek och laddning).

Denna tidigare forskning hade identifierat ett tydligt samband mellan hybridiseringen av elektronorbitaler av perovskittitanats olika beståndsdelar och dess ferroelektriska egenskaper.

"Nästa steg var därför att på något sätt uppnå direkt observation av tillståndet för dessa elektroner när det elektriska fältet applicerades, " säger Nobuo Nakajima från Graduate School of Advanced Science and Engineering vid Hiroshima University, en medförfattare till studien. "Detta krävde ultrasnabba observationer."

Så teamet kombinerade röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) med ett tidsupplöst tillvägagångssätt. XAS involverar interaktionen av en röntgenstrålning med elektronerna med djupa kärnor i en atom snarare än dess yttre (eller valens) elektroner. Mätning av denna interaktion tillåter beskrivning av materialets fina struktur. Ett tidsupplöst tillvägagångssätt involverar användning av denna teknik för att studera de dynamiska förändringarna i materialet på den sortens extremt korta tidsskalor där fenomen som vändning av ferroelektrisk polarisation inträffar. Det gör det möjligt för forskarna att upptäcka de minsta förändringar i spektra och elektroniska tillstånd under elektriska fält. Kombinationen av de två teknikerna utfördes för första gången, på bariumtitanat.

Forskarna fann att förutom den orbitala hybridiseringen mellan titan och syre som redan hade identifierats, en liknande effekt sågs mellan barium och titanelektronernas tillstånd. Detta bidrog också till polarisationsomkastningen i bariumtitanat.

De hoppas att deras nya teknik tillämpad på ett parallellt perovskit-titanat skulle kunna ge ledtrådar till vad de beskriver som blytitanats "dolda natur", och ta världen ett steg närmare eliminering av blyföroreningar.