電子誘電体が圧電性と強誘電性を持つことを実証名古屋工業大、京都大学ら

名古屋工業大学は2023年7月14日、同大学、京都大学、オックスフォード・インストゥルメンツらの研究グループが東京工業大学、九州大学と共同で、電子誘電体とよばれる酸化物の一種であるTmFe₂O₄という物質を使い、この物質が室温で圧電性と強誘電性を示すことを実証するとともに、誘電性が生じる仕組みを原子レベルで明らかにしたと発表した。

組成式がRFe₂O₄（Rは希土類元素、または13族元素のインジウム）の酸化物は、鉄イオンの電荷の分布が誘電性を支配すると考えられることから電子誘電体とよばれる。このうち、「R」がLu（ルテチウム）の化合物が強誘電体であるとの報告が2005年になされたが、他の研究グループから、この化合物の強誘電性を否定する論文が出され、議論が続いている。

今回、本研究グループは、この化合物に類似したTmFe₂O₄の単結晶を合成。X線による単結晶の構造解析や圧電応答顕微鏡による測定などに基づき、この化合物が室温で圧電性と強誘電性を示すことを実証した。さらに、こうした性質が鉄イオンにおける電子の局在化と、Tm（ツリウム）イオンの変位によるものであることを突き止めた。

さらに、この結晶は強い電場を加えると局在化した電子の秩序状態が壊れて無秩序な状態となるため、圧電性や強誘電性が消失し、逆に電気伝導が生じることを発見。この現象は電場の強さに応じて可逆的に起こることも確認した。同様の現象はLuFe₂O₄において、電場誘起の電気伝導率の劇的な変化として観察されているが、電場による強誘電体から導電体への相転移を確認したのは今回が初めてとなる。

研究グループは今回の発見によって、RFe₂O₄の誘電性に関する論争について部分的に決着をつけられたとしている。今後は、同様の誘電性がLuFe₂O₄やYF₂O₄などでも観察されるのかを調べ、電子誘電体の本質的な誘電性とそれが生じる仕組みの解明に取り組む。また、高速のスイッチや読み書きが速く行えるメモリーなどへの展開に期待を寄せている。

研究成果は2023年7月12日、米国物理学会の国際学術誌「Physical Review B」にオンライン掲載された。

電子誘電体が圧電性と強誘電性を持つことを実証　名古屋工業大、京都大学ら