高速変動電場下で誘電体の電子状態をリアルタイムで観測――鉛を使わない強誘電体材料開発に道筋 広島大学ら

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広島大学は2021年3月4日、同大大学院先進理工系科学研究科の中島伸夫准教授らが、東京工業大学、静岡大学、高エネルギー加速器研究機構、ラトビア大学の研究者と共同で、チタン酸バリウム薄膜に交流電場をかけた際に引き起こされる電子状態変化のリアルタイム観測に成功したと発表した。この観測により、チタン酸バリウム中のバリウムイオンとチタンイオンの静電相互作用を発見したという。

チタン酸バリウムは、チタン(陽イオン)と酸素(陰イオン)の原子位置が結晶格子の中で相対的に変位することで電気を蓄える特異な性質(強誘電性)を示す。しかし、チタン(Ti)と同じ陽イオンであるバリウム(Ba)については、それらがその性質にどのように寄与しているのか十分に理解されていなかった。特に外部から加えた速い電圧変化に対して、どのように元素間の結合状態が追随し、強誘電性として現れているのかが未解明だった。

研究では、チタンの電子状態をリアルタイムに新たな観点から観測を実施。KEKのフォトンファクトリーで放射光X線の特性である元素種を見分ける能力と、マイクロ秒以下で信号を処理できる回路を備えた検出器を組み合わせて測定した。

その結果、強誘電性の主役であるチタンと酸素の共有結合の強度変化に加え、電圧が変化するタイミングに合わせて、陽イオン同士であるバリウムとチタンの間に働く静電相互作用の存在とその強度変化の測定に成功した。これまで陽イオンであるバリウムは陰イオンの酸素と電子軌道が混成すると理解されていたが、この研究成果により陽イオン同士のバリウムとチタンの間にも電子相関があることが明らかになった。

広島大学は、本研究の成果により、人体に有害な鉛を含む圧電セラミックスの代替材料として期待されているチタン酸バリウムの圧電セラミックス材料としての新たな道筋が示されたという。開発したサブマイクロ秒時間分解と軟X線吸収を組み合わせた時間分解X線吸収分光法により、電場をかけた条件下の誘電体材料だけでなく、応力を加えた条件下の圧電体材料や、パルス磁場下の磁性体材料などさまざまな物質研究の有効な手法になることが期待できるとしている。

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