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【研究成果】いかなる方向にもよく伸びるセラミック材料のしくみを解明 ~立方晶のように見えるのになぜ優れた圧電性をもつのか?~

本研究成果のポイント

  • チタン酸バリウム、マグネシウムチタン酸ビスマス、および、ビスマスフェライトを固溶させて合成したセラミック材料が、一見しただけでは結晶を構成する単位格子の形が立方体に見えるにもかかわらず、優れた強誘電性と圧電性を示すことを発見。
  • みだれた原子配置のビスマスイオンが電場印加方向に偏って結晶格子を大きくひずませることが強誘電性・圧電性の起源であることを放射光X線回折実験で解明。
  • 構造みだれの電場による制御という新しい概念による強誘電体・圧電体材料の開発を提案する研究成果。

概要

広島大学大学院先進理工系科学研究科教授の黒岩芳弘、森吉千佳子、同助教のキム・サンウク、広島大学大学院理学研究科博士課程後期学生の中平夕貴、山梨大学大学院総合研究部教授並びに東京工業大学元素戦略研究センター特定教授の和田智志、山梨大学大学院総合研究部准教授の上野慎太郎、同助教の藤井一郎と、九州大学大学院工学研究院准教授の佐藤幸生からなる共同研究グループは、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(※1)と圧電性(※2)を示すセラミック材料の合成に成功し、大型放射光実験施設SPring-8(※3)BL02B2における放射光X線回折実験により、機能発現のメカニズムを解明しました。

一般に、結晶系が立方晶系に帰属する物質が強誘電性を示すことは結晶学的にあり得ません。したがって、そのような物質が優れた圧電性をもつことも期待できません。

しかし、チタン酸バリウム(BaTiO3: BT)、マグネシウムチタン酸ビスマス(Bi(Mg0.5Ti0.5)O3: BMT)、ビスマスフェライト(BiFeO3: BF)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を発見しました。また、よく使われている圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr, Ti)O3: PZT)(※4)に迫る圧電性を示すことも発見しました。SPring-8において電場印加(※5)下でのX線回折実験を行ったところ、ビスマスイオンだけが理想的な原子位置からずれた結晶構造をしており、電場(電圧)を印加すると、電場方向にビスマスイオンが偏って結晶格子を大きくひずませることが、この一見立方晶系に見えるセラミックス材料に優れた強誘電性・圧電性が観測される仕組みであることを見出しました。結晶系が立方晶系に限りなく近いことから(擬立方晶系:pseudo-cubic)、セラミック粒の如何なる方向に電場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しました。特異な構造みだれのある材料を合成すれば、たとえ立方晶に見えても、その構造みだれを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する可能性を示した研究成果です。

本研究成果は、英国の学術出版社であるシュプリンガー・ネイチャーがオープンアクセス・ポートフォリオを拡大するために2020年に創刊した材料系のネイチャー・リサーチ・ジャーナル「Communications Materials」のオンライン版に掲載されました。

BT-BMT-BFセラミックスに電場印加したとき、ランダムな方向を向いたすべてのミクロなセラミック粒が電場に応答して伸縮するイメージ。その結果、セラミックス全体は電場方向にマクロによく伸びる。

用語解説

(※1) 強誘電性
物質に外部から電場を印加しなくても、物質内で電気的にプラスとマイナスに分極したミクロな双極子が整列しており、双極子の方向を電場によって変化できる性質のこと。強誘電性をもつものは圧電性をもつ。

(※2) 圧電性
物質に外部から応力を加えると、分極する性質。そのような物質は、逆に、外部から電場を印加すると変形する逆圧電性も示す。これらの現象をまとめて圧電性ということもある。圧電材料は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに可逆的に変換できる。圧電性をもつものは、必ずしも強誘電性をもつとは限らない。

(※3) 大型放射光実験施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す施設。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げたときに発生する、指向性が高く強力な電磁波のこと。SPring-8では、波長の短い高エネルギーX線を用いた高精度の回折実験が可能なため、今回のようなX線の吸収の大きなビスマスイオンとX線の散乱能の低い酸素イオンを同時に含むような物質でも精密に構造解析することができた。

(※4) チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr, Ti)O3: PZT)
チタン酸鉛とジルコン酸鉛の混晶でペロブスカイト型構造をもつ強誘電体。セラミック材料の中で優れた圧電性をもつため、多くの電子部品やセンサーなどに使用されている。

(※5) 電場印加
誘電体(絶縁体のこと)材料の対向する面に電極を取り付けて外部から電圧をかけること。金属などの導体では電圧をかけると電流が流れてしまうが、誘電体の場合は、電流が流れずに、例えば、材料を構成するイオンがわずかに電極側にシフトすることにより分極し、いわゆる電気がたまる。

論文情報

  • 掲載誌: Communications Materials
  • 論文タイトル: Piezoelectricity in perovskite-type pseudo-cubic ferroelectrics by partial ordering of off-centered cations
  • 著者名: *黒岩芳弘1、Kim Sangwook1、藤井一郎2、上野慎太郎2、中平夕貴3、森吉千佳子1、佐藤幸生4、和田智志2, 5 (* 責任著者)
    1 広島大学大学院先進理工系科学研究科
    2 山梨大学大学院総合研究部
    3 広島大学大学院理学研究科
    4 九州大学大学院工学研究院
    5 東京工業大学元素戦略研究センター
  • DOI: 10.1038/s43246-020-00072-4

謝辞

SPring-8での実験は、主としてBL02B2粉末構造解析ビームラインにおいて、パートナーユーザープロジェクト(2017A0074)により行われました。実験では、ビームライン担当者の河口彰吾博士から多大なる支援を賜りました。

また、本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金(JP17H02776、JP20H02641)およびMEXT Element Strategy Initiative to Form Core Research Center(元素戦略プロジェクト<研究拠点形成型>「東工大元素戦略拠点(TIES)」)(JPMXP0112101001)の支援を受けて行われました。

【お問い合わせ先】

<研究に関すること>
広島大学 大学院先進理工系科学研究科 
教授 黒岩 芳弘
TEL: 082-424-7397
E-mail: kuroiwa*sci.hiroshima-u.ac.jp (注: *は半角@に置き換えてください)

山梨大学大学院総合研究部 教授/
東京工業大学元素戦略センター 特定教授 和田 智志
TEL: 055-220-8555
E-mail: swada*yamanashi.ac.jp (注: *は半角@に置き換えてください)

九州大学大学院工学研究院 
准教授 佐藤 幸生
TEL: 092-802-2971
E-mail: sato*zaiko.kyushu-u.ac.jp (注: *は半角@に置き換えてください)

<報道に関すること>
広島大学 財務・総務室広報部広報グループ
TEL: 082-424-3749 
E-mail: koho*office.hiroshima-u.ac.jp (注: *は半角@に置き換えてください)

山梨大学 総務部総務課 広報企画室
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E-mail:koho*yamanashi.ac.jp (注: *は半角@に置き換えてください)

九州大学 広報室
TEL: 092-802-2130 
E-mail: koho*jimu.kyushu-u.ac.jp (注: *は半角@に置き換えてください)

東京工業大学 総務部 広報課
TEL: 03-5734-2975
E-mail:media*jim.titech.ac.jp (注: *は半角@に置き換えてください)

<SPring-8利用に関すること>
公益財団法人高輝度光科学研究センター 利用推進部 普及情報課
TEL:0791-58-2785
E-mail:kouhou*spring8.or.jp (注: *は半角@に置き換えてください) 


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