新型光谱技术探索弛豫器-铁电材料
发布时间：2023-06-29 08:00:00 阅读数： 50
弛豫-铁电材料是高性能的超声发生元件，由于其复杂的结构，表现出大的介电反应。
了解弛豫-铁电晶体中的极化行为。铅基B位复合过氧化物，也被称为 "弛豫器"，由于其复杂的结构而表现出大的介电反应。因此，了解它们的原子排列和不均匀结构是具有挑战性的。在这项研究中，来自日本的研究人员在一个成分分级的晶体上使用了偏振角分辨拉曼光谱，确定了具有增强电荷积累的特定区域。这一信息为材料的行为提供了关键的见解，并为改善超声设备的设计和性能提供了机会。图片来源：日本立命馆大学的Yasuhiro Fujii
最近，来自日本的研究人员利用他们开发的新型偏振-角度分辨拉曼显微镜，研究了铌酸铅镁-钛酸铅晶体中的电偏振分布，这种压电材料用于超声设备和探鱼器探头。所获得的电偏振信息有可能提高下一代超声诊断设备的性能。
对铁电材料中的极化或电荷分离的利用已经导致了各个领域的显著进步，例如开发新的超声诊断设备。突出的是，这些铁电材料已经导致了能够将电信号转化为机械运动的压电设备。了解电极化如何在材料中排列和波动是建造更好设备的关键。然而，原子排列的紊乱以及它们的不均匀结构会导致电荷在特定区域的不规则分布，对铁电材料的发展构成了根本性的挑战。
为了将失调对偏振行为的影响可视化，由日本立命馆大学的Yasuhiro Fujii教授领导的研究人员已经开发了一种创新的偏振角度分辨拉曼显微镜。这项专利技术建立在拉曼显微镜的原理之上，包括将一束聚焦的激光照射到样品上并分析散射光，以了解材料的分子结构。与传统显微镜不同的是，这项新技术在显微镜设置中加入了一个旋转的半波板，以考虑光偏振的影响，而不需要旋转被研究的样品。这种新颖的方法在被研究样品的每个点上产生不同的光偏振方向的光谱。将光谱数据结合起来，不仅可以确定原子的振动状态，还可以确定材料的振动方向。
现在，在2023年5月18日发表在《通信物理学》杂志上的一项由岛根大学的Shinya Tsukada教授和Fujii教授领导的研究中，研究人员利用这种技术观察了压电铌酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-钛酸铅[PbTiO3]或PMN-PT晶体中电偏振的排列及其波动的时间尺度，该晶体被用于诊断超声设备，揭示了其大介电常数的原因。
"这种偏振角度分辨的拉曼显微镜的开发以及分析技术的进步可以使偏振信息纳入现有的拉曼成像数据，并允许更深入地了解材料特性，"Fujii教授在谈到开发这种技术的理由时解释道。
PMN-PT晶体的一个明显特征是它们在分隔材料中不同相的边界上有明显的介电和压电反应。PMN-PT晶体的具体组成，特别是钛（Ti）的浓度，可以影响相界的形成和特征。为了研究Ti混合比例对介电性能的影响，研究人员用新开发的显微镜中的拉曼制图装置对62.7 × 15.0 × 0.3的PMT-PT晶体样品进行成像。
沿着样品的长度，Ti含量从27.0 mol%到38.0 mol%不等，产生了三个不同的相：Ti含量在27 mol%和29.2 mol%之间的单斜（B型）相，Ti含量高达34.5 mol%的单斜（C型）相，以及Ti含量高达34.8-38.0 mol%的四边形相。
在分析样品中每一点的不同光偏振值所对应的拉曼光谱时，研究人员观察到只有单斜B型相的拉曼峰的强度发生了突然变化。此外，他们还注意到该相的自发极化方向有明显的变化。光谱显示，在靠近单斜体（B型）和（C型）相之间的相界时，材料的极化放松速度较慢（电偶极子在热扰动下的重新定向）。这反过来表明，偶极子的重新排列发生的速度降低，使材料能够储存大量的电荷，并在这个相界处显示出增强的介电反应。
"我们发现，弛豫器-铁电材料储存大量电荷的能力是由于纳米级电极化对外部电压的缓慢响应，"Fujii教授强调说。
总之，对弛豫器材料的这一特性的观察突出了偏振角度分辨显微镜提供偏振信息的能力，这可以帮助优化材料的介电性能。特别是，对PMT-PT的偏振行为的深入了解可以促进具有改进的超声检测和生成特性的弛豫材料的开发，用于下一代诊断。
