用于探索弛豫铁电材料的新型光谱技术
铁电材料中极化或电荷分离的利用导致了各个领域的显着进步，例如新型超声诊断设备的开发。值得注意的是，这些铁电材料已导致压电器件能够将电信号转换为机械运动。了解材料中电极化的排列和波动方式是构建更好设备的关键。然而，原子排列的无序及其不均匀的结构会导致特定区域的电荷分布不规则，这对铁电材料的发展提出了根本性的挑战。
为了可视化疾病对偏振行为的影响，日本立命馆大学藤井康宏教授领导的研究人员开发了一种创新的偏振角分辨拉曼显微镜。这项专利技术建立在拉曼显微镜原理的基础上，涉及将聚焦激光束引导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，新技术将旋转半波片纳入显微镜设置中，以考虑光偏振的影响，而无需旋转所研究的样品。这种新颖的方法在所研究的样品中的每个点产生具有不同光偏振方向的光谱。
现在，由岛根大学的 Shinya Tsukada 教授和 Fujii 教授领导的一项研究于 2023 年 5 月 18 日发表在《通讯物理》杂志上，研究人员利用这种技术观察了电极化的排列及其波动的时间尺度。压电铌酸镁铅[Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 ]-钛酸铅[PbTiO 3 ]或PMN-PT晶体，用于诊断超声设备，揭示了介电常数大的原因。
“这种偏振角分辨拉曼显微镜的发展以及分析技术的进步可以将偏振信息纳入现有的拉曼成像数据中，并可以更深入地了解材料特性，”Fujii 教授在谈到该技术时解释道。开发该技术的基本原理。
PMN-PT 晶体的一个显着特征是其在分隔材料中不同相的边界处具有明显的介电和压电响应。PMN-PT 晶体的具体成分，特别是钛 (Ti) 的浓度，会影响相界的形成和特性。为了研究 Ti 混合比例对介电性能的影响，研究人员使用新开发的显微镜拉曼成像装置对 62.7 × 15.0 × 0.3 PMT-PT 晶体样品进行了成像。
Ti 含量沿样品长度从 27.0 mol% 变化到 38.0 mol%，产生三个不同的相：单斜晶(B 型)相，其中 Ti 含量范围为 27 mol% 到 29.2 mol%，单斜晶(B 型)相，其中 Ti 含量范围为 27 mol% 到 29.2 mol%，单斜晶(B 型)相，其中 Ti 含量范围为 27 mol% 到 29.2 mol% C)相，其含量高达 34.5 mol%，四方相的 Ti 含量高达 34.8-38.0 mol%。
在分析样品中每个点不同光偏振值对应的拉曼光谱时，研究人员观察到仅单斜晶系 B 相的拉曼峰强度发生突变。此外，他们还注意到这一阶段自发极化方向的明显变化。光谱显示，靠近单斜相(B 型)和(C 型)相之间的相界，材料极化的弛豫速度较慢(电偶极子响应热扰动而重新定向)。反过来，这表明偶极子的重新排列以降低的速率发生，使得材料能够存储大量电荷并在该相边界处表现出增强的介电响应。
藤井教授强调说：“我们发现，弛豫剂——铁电材料之所以能够存储大量电荷，是由于纳米级电极化对外部电压的缓慢响应。”
总之，对弛豫材料这一特性的观察凸显了偏振角分辨显微镜提供偏振信息的能力，这有助于优化材料的介电性能。特别是，对 PMT-PT 偏振行为的深入了解可以促进弛豫材料的开发，改善超声检测和下一代诊断的生成特性。
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