利用X射线全息技术确定了提高无铅压电材料性能的关键因素〜对创造环保电子设备的重大贡献〜

V体育
高亮度光科学研究中心
广岛市立大学

演示要点

〇无铅压电材料的原子排列，X使用线条的全息技术进行三维可视化显示，这种材料中所含的钙原子发生了显着的位移。
〇〇我们成功地证明了具有良好生物相容性的钙可能在含有有害铅的压电材料中起到铅的作用。
〇〇预计这将导致对环境和人体友好的新型无铅压电材料的开发。

总结

　V体育工学研究科助理教授 Koji Kimura、Koichi Hayashi 教授、Kenichi Kakimoto 教授、Yuta Yamamoto(物理工程系博士生第3年)，川村圭介(工学专业，物理工程专业，硕士课程1年)，杉本希娜(当时的研究：生命与应用化学系，硕士课程2年)，埃尔兰根=纽伦堡大学凯尔·韦伯教授，艾哈迈德·加德尔马拉先生(研究生)，亮光科学研究中心（JASRI)首席研究员Hiroo Tajiri和广岛市立大学信息科学研究生院副教授Naohisa Happo领导的研究小组近年来备受关注钛酸钡₃荧光，无铅压电材料最先进的结构分析方法X通过应用线全息术添加加拿大已经表明原子发生了显着的位移。这种大位移被认为是这种材料的高压特性的来源。目前含有有害铅Pb(Zr,Ti)O₃主要用作压电材料，该结果有望为提高性能和开发新型无铅压电材料提供设计指导。

此研究结果是2022年份2月1天

研究背景

铅目前对人体有害(铅)采用无铅材料。随着无铅焊料和无铅汽油的普及，无铅产品在日常生活中变得越来越普遍。另一方面，压电材料是尚未实现无铅材料的材料之一。¹⁾压电材料是能够相互转换电能和机械能的材料，用于传感器、执行器、喷墨打印机和精密电机等多种应用。因此，压电材料的无铅化是一个紧迫的问题。然而，目前广泛使用的锆钛酸铅（PZT）具有极其优异的压电性能，因此目前在使其无铅化方面尚无进展。
　由钡（Ba）、钙（Ca）、锆（Zr）、钛（Ti）和氧（O）组成的化合物(Ba,Ca)(Zr,Ti)O₃(BCZT)但是压电陶瓷图1(a)BCZT的压电特性是100℃以下相对较低的温度范围压电陶瓷因此，能量收集，例如在室温附近运行的发电床²⁾从观点来看(图1(b))然而，BCZT的机制表现出如此出色的压电特性是未知的。BCZT的可用温度范围至关重要。并创造新的无铅压电材料。

图1 (a)(Ba,Ca)(Zr,Ti)O₃(BCZT),(Pb,Zr)TiO₃(PZT)和(K,Na)NbO₃(KNN)
　　(b)步行发电示意图，预计采用BCZT。

研究内容/结果

压电现象是当带正电和负电的原子从其原始位置移动时发生的极化³⁾PZT带正电铅众所周知，原子位置的错位是大压电特性的根源。BCZT铅。从这个角度来看，课题组BCZT加拿大这是因为与其他元素相比，它的尺寸较小，并且周围有间隙，因此易于移动。
因此，在本研究中，荧光X线全息⁴⁾技术加拿大（巴_0.9加拿大_0.1)二氧化钛₃该方法可以可视化构成物质的每个元素的三维原子排列。它最初是作为一种确定添加的少量掺杂剂位置的方法而开发的，但这里10经过多年的研究，我们发现可以准确评估压电材料中原子位置的位移。该实验是在大型同步加速器辐射设施中进行的Spring-8⁵⁾
图 2 显示了获得的结果。如左图加拿大和巴的全息图并通过执行称为原子图像重建的数值处理来导出右侧的原子图像。加拿大当周围的原子图像沿黄色箭头的方向延伸时，巴周围原子的图像没有这样的伸长，并且具有对称的形状。这个结果正是加拿大这表明原子正在移动。通过详细分析原子图像的形状，加拿大原子是036 埃⁶⁾的位移
　此处获得的 036 Å 值之前已报道过PZT铅的位移由此可见，图3BCZT的加拿大原子是压电陶瓷铅作用相当的效果。

图2（a）通过荧光X射线全息术获得的Ca和Ba的全息图。
(b) 从全息图重建的 Ca 和 Ba 周围的原子图像

　

图 3BCZT钙和压电陶瓷铅原子位置位移的相似性

社会意义

　这个结果是BCZT性能的立足点开发新型无铅压电材料。特别是，加拿大是一种元素，是人体骨骼的主要成分，具有非常好的生物相容性。铅角色钙如果能应用于这一领域，将带动对环境和人体友好的压电材料的发展。此外，BCZT所以钙由于关键点是原子的小尺寸，因此可能会发现基于这一想法的新元素组合。这项研究预计将进一步加速无铅压电材料的搜索和创造。

未来展望

　从现在开始，BCZT加拿大其他元素的荧光X我们计划使用线全息术进行分析。此外，我们还正在开发“原位测量”技术，该技术可在施加电压时观察原子的位移。如果我们能够建立这项技术，我们相信我们将能够阐明各种压电材料的性能机制的细节。

这项研究得到了日本学术振兴会科学研究、学术转化领域研究补助金的支持(A)这项工作是在“超有序结构创造的凝聚态科学”（代表人：林浩一）等的支持下进行的

术语表

1) 压电材料
　如图4所示，当从外部变形时会产生电压的材料，而当施加电压时则相反地变形。这些效应分别称为压电效应和逆压电效应。广泛应用于压力传感器、执行器等

　

2) 能量收集
　它是指从周围环境中提取和利用电能，作为解决能源问题的关键技术而受到关注。有利用压电材料将行走产生的振动能转化为电能的技术，以及利用热电材料将废热转化为电能的技术。

3) 荧光X线全息

图5 可见光和X使用线条的全息术原理。

全息术是一种三维可视化物体的方法。它在日常生活中用于防止伪造纸币和信用卡。图5中的“可见光案例”所示，首先，光被物体散射(物体波)以及穿过而没有散射的光(参考波)记录干涉图样这种干涉图案称为全息图，包含有关原始物体的三维信息。通过用参考波照射全息图，可以再现三维图像，就好像原始物体就在那里一样。荧光X线全息术是该技术在原子尺度上的应用。图5的“X如果是一行''，则目标元素（在本例中加拿大)X射线照射时发出荧光X会产生一种称为射线的元素特有的电磁波。荧光X线被周围原子散射的波对应于物波，穿过而未被散射的波对应于参考波，它们的干涉图样X通过用线探测器记录来获得全息图。该全息图包含有关三维原子排列的信息。通过将图像重建算法应用于全息图，可以重建目标元素周围的三维原子排列。

4) 极化
　它是指带正电和带负电的原子的位置在电场作用下发生轻微的位移。更准确地说，它称为离子极化。就 BCZT 而言，Ba、Ca、Zr 和 Ti 是带正电的原子，O 是带负电的原子。这种轻微的位移就是压电性的起源。

图6 压电材料内的极化示意图。

　

5) 大型同步加速器辐射设施 SPring-8
　这是位于兵库县播磨科学园区的理化学研究所拥有的大型同步辐射设施，可产生世界最高性能的同步辐射。用户支持由 JASRI 提供。 SPring-8这个名字来自Super Photonring-8GeV。 SPring-8 的 X 射线强度比普通设备强许多数量级，这使得它对于精确观察全息图等微弱信号非常有用。此外，正在利用同步加速器辐射进行广泛的研究，包括纳米技术、生物技术和工业应用。

6）Å(埃)
　长度单位。长度为1厘米的百万分之一，大致相当于原子的大小。

论文信息

论文标题：X 射线荧光全息术揭示铁电 (Ba09Ca01)TiO3 中钙离子和钡离子的显着位移
作者姓名：Y Yamamoto、K Kawamura、H Sugimoto、A Gadelmawla、K Kimura、N Happo、H Tajiri、K G Webber、K Kakimoto 和 K Hayashi
出版期刊名称：Applied Chemistry Letters
发布日期：2022 年 2 月 1 日
DOI：101063/50076325
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联系信息

研究相关

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助理教授木村浩二
电话:052-735-5362
电子邮件：kimurakoji[at]nitechacjp​
　
V体育工学研究科物理工程系
林浩一教授
电话:052-735-5308
电子邮件：hayashikoichi[at]nitechacjp

V体育工学研究生院生命科学与应用化学系
柿本健一教授
电话:052-735-7734
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高亮度光科学研究中心、同步辐射利用研究基础设施中心、衍射与散射促进办公室
首席研究员田尻博夫
电话:0791-58-2785
电子邮件：tajiri[at]spring8orjp
　　　
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公共关系很重要

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