立方晶のように見えるにもかかわらず、優れた強誘電性と圧電性を有するセラミック材料の合成に成功――広島大ら

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広島大学は2020年10月13日、同大学および山梨大学、九州大学、東京工業大学の共同研究チームが、一見したところ結晶系が立方晶のように見えるにもかかわらず、優れた強誘電性や圧電性を有するセラミック材料の合成に成功したと発表した。

一般的に、結晶系が立方晶系に属する物質が強誘電性を示すことは結晶学的にあり得ず、優れた圧電性を有することも期待できない。

ところが、同研究チームがチタン酸バリウム(BaTiO3)、マグネシウムチタン酸ビスマス(Bi(Mg0.5Ti0.5)O3)、ビスマスフェライト(BiFeO3)を固溶させてセラミック材料を合成したところ、結晶系が立方晶系に見えるにもかかわらず、優れた強誘電性を示すことが確認された。また、圧電材料に用いられるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr, Ti)O3)に近い圧電性を示すことも確認された。

さらに、大型放射光実験施設「SPring-8」において電場印加下でのX線回折実験を行ったところ、結晶構造においてビスマスイオンのみが理想的な原子の位置から外れており、電場(電圧)を印加することで電場方向にビスマスイオンが偏り結晶格子を大きく歪ませることが、今回の立方晶系のように見えるセラミック材料が優れた強誘電性や圧電性を示す原因であることが判明した。

また、同セラミック材料は結晶系が立方晶系に限りなく近い「擬立方晶系(pseudo-cubic)」であるため、いかなる方向に電場を印加しても結晶格子が電場方向によく伸びることも確認された。

今回の研究により、たとえ立方晶に見えるものであっても、特異な構造みだれのある材料を合成して電場で制御することで、高性能な強誘電体/圧電体材料として機能させられる可能性があることが明らかになった。今後の強誘電体/圧電体材料の開発に寄与することが期待される。

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