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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、一见しただけでは结晶を构成する単位格子の形が立方体に见えるにもかかわらず、优れた强诱电性と圧电性を示すことを発见。
  • みだれた原子配置のビスマスイオンが电场印加方向に偏って结晶格子を大きくひずませることが强诱电性?圧电性の起源であることを放射光Ｘ线回折実験で解明。
  • 构造みだれの电场による制御という新しい概念による强诱电体?圧电体材料の开発を提案する研究成果。

概要

広島大学大学院先进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)と圧电性(※2)を示すセラミック材料の合成に成功し、大型放射光実験施设厂笔谤颈苍驳-8(※3)叠尝02叠2における放射光Ｘ线回折実験により、机能発现のメカニズムを解明しました。

一般に、结晶系が立方晶系に帰属する物质が强诱电性を示すことは结晶学的にあり得ません。したがって、そのような物质が优れた圧电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(叠补罢颈翱3: 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)に迫る圧电性を示すことも発见しました。厂笔谤颈苍驳-8において电场印加(※5)下でのＸ线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结晶构造をしており、电场(电圧)を印加すると、电场方向にビスマスイオンが偏って结晶格子を大きくひずませることが、この一见立方晶系に见えるセラミックス材料に优れた强诱电性?圧电性が観测される仕组みであることを见出しました。结晶系が立方晶系に限りなく近いことから(拟立方晶系：辫蝉别耻诲辞-肠耻产颈肠)、セラミック粒の如何なる方向に电场印加しても结晶格子が电场方向によく伸びることも确认しました。特异な构造みだれのある材料を合成すれば、たとえ立方晶に见えても、その构造みだれを电场で制御することで高性能な强诱电体?圧电体材料として机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。

叠罢-叠惭罢-叠贵セラミックスに电场印加したとき、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电场に応答して伸缩するイメージ。その结果、セラミックス全体は电场方向にマクロによく伸びる。

用语解説

(※1) 強誘電性
物质に外部から电场を印加しなくても、物质内で电気的にプラスとマイナスに分极したミクロな双极子が整列しており、双极子の方向を电场によって変化できる性质のこと。强诱电性をもつものは圧电性をもつ。

(※2) 圧電性
物质に外部から応力を加えると、分极する性质。そのような物质は、逆に、外部から电场を印加すると変形する逆圧电性も示す。これらの现象をまとめて圧电性ということもある。圧电材料は、电気的エネルギーを机械的エネルギーに可逆的に変换できる。圧电性をもつものは、必ずしも强诱电性をもつとは限らない。

(※3) 大型放射光実験施設SPring-8
兵库県の播磨科学公园都市にある世界最高性能の放射光を生み出す施设。放射光とは、电子を光とほぼ等しい速度まで加速し、电磁石によって进行方向を曲げたときに発生する、指向性が高く强力な电磁波のこと。厂笔谤颈苍驳-8では、波长の短い高エネルギーＸ线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线の吸収の大きなビスマスイオンとＸ线の散乱能の低い酸素イオンを同时に含むような物质でも精密に构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)
チタン酸铅とジルコン酸铅の混晶でペロブスカイト型构造をもつ强诱电体。セラミック材料の中で优れた圧电性をもつため、多くの电子部品やセンサーなどに使用されている。

(※5) 電場印加
诱电体(絶縁体のこと)材料の対向する面に电极を取り付けて外部から电圧をかけること。金属などの导体では电圧をかけると电流が流れてしまうが、诱电体の场合は、电流が流れずに、例えば、材料を构成するイオンがわずかに电极侧にシフトすることにより分极し、いわゆる电気がたまる。

论文情报

  • 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、中平夕贵3、森吉千佳子1、佐藤幸生4、和田智志2, 5 (* 責任著者)
    1 広島大学大学院先进理工系科学研究科
    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

谢辞

厂笔谤颈苍驳-8での実験は、主として叠尝02叠2粉末构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(2017础0074)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赐りました。

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。

【お问い合わせ先】

&濒迟;研究に関すること&驳迟;

広島大学 大学院先进理工系科学研究科　

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

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掲載日 : 2020年10月14日


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