新技术助力三相行为解密，推动无铅铁电材料安全化进程

晶格中的微小扭曲可能会重塑医疗植入物、传感器和下一代电子产品的未来。

在一项突破性研究中，科学家们发现了一种方法，可以利用纯机械力而非化学改造来提升无铅铁电材料的性能，从而最终去除铁电设备中的有毒铅元素。

铁电材料为影响日常生活的技术提供动力，这些技术包括红外相机、医疗超声波、计算机内存以及精密执行器。

但大多数高性能版本都含有铅，限制了它们在人体设备中的应用。

阿肯色大学的杰出物理学教授劳伦特·贝拉伊奇表示：“在过去的10年里，全球范围内发起了一项重要的倡议，目的是寻找不含铅的铁电材料。”

在原子尺度上，铁电材料的性质由晶体相决定。在相界面处，当一种结构与另一种结构相遇时，它们的有用特性会增强。

科学家们长期以来通过化学方法操控铅基铁电材料的相界面，以缩小设备并提升性能。但化学调控无铅材料仍然是一个顽固的挑战。

来自贝拉伊奇和阿尔伯塔大学的物理学家基纳里·帕特尔与谢尔盖·普罗桑德耶夫的新研究提出了一种有希望的方法来绕过这一障碍。

应变引起变化

研究小组专注于铌酸钠（NaNbO₃），这是一种灵活的无铅铁电材料，以复杂著称的基态结构。他们没有使用化学物质或热量，而是利用应变——通过在原子间距不完全匹配的基底上生长铌酸钠薄膜所施加的机械力。

当钠铌酸盐的原子伸展和压缩以模拟其底层结构时，材料经历的应变重塑了其内部相。

“这真是一个重大发现，”贝拉伊奇说。

令团队惊讶的是，应变不仅仅是将钠铌酸盐从一种晶体结构转变为另一种。它同时创造了三种相，显著增加了相界的数量，从而增强了其有用的铁电特性。

“钠铌酸盐一个很显著的特点是，如果你稍微改变长度，相的变化会很大，”贝拉伊奇说。

结果是无铅材料，具有增强的性能，为安全植入人体的铁电元件打开了大门。

三相优势

铁电性首次在1920年被发现，依赖于一种自然的电极化现象，这种电极化可以翻转，并在外部场移除后仍能保持。

这些材料既是介电材料，又是压电材料，使它们能够高效地存储能量，并将机械运动转化为电信号。所有这些特性在相界面处会增强，使得同时发现三种相变得特别重要。

“在铅基铁电材料中，例如铅锆钛酸盐，可以通过化学调节成分，使其正好处于相变点，”帕特尔说。

但在无铅版本中，高度挥发性碱金属在化学调谐过程中往往会蒸发，从而削弱效果。应变完全避免了这个限制。

实验是在室温下进行的，但团队计划测试钠铌酸盐在从-270 °C到1,000 °C的极端条件下是否有类似的表现。