東工大ら,鉄セラミックス材料の強誘電性を発見

東京工業大学,岡山大学,量子科学技術研究開発機構は,イッテルビウムと鉄を含むセラミックス化合物において,結晶内の電子の秩序が室温で強誘電性を生み出すことを発見した(ニュースリリース)。

強誘電体は,メモリ,キャパシタ,アクチュエータなど現代産業において不可欠のエレクトロニクス機能を担う基幹材料。これらの機能は,主に強誘電体の持つ分極の反転過程を利用するが,現在までに知られている強誘電体は結晶中の原子やイオンが変位しない限り分極が応答せず,耐久性や動作電圧,超高速動作周波数に上限があった。

そのため,新しい機構によって発現する新規強誘電体の開発は重要な研究テーマとなっている。その中でも,イッテルビウムと鉄を含む複合酸化物(YbFe2O4)は,原子の位置の変化ではなく鉄-酸素二重層内の「異なる価数の鉄イオン(Fe2+とFe3+)の秩序と偏り」によって強誘電分極を示す可能性が提唱されていたが,その直接の証拠はこれまで見つかっていなかった。

研究グループは今回,イッテルビウムと鉄を含む複合酸化物YbFe2O4結晶が第二次高調波発生(SHG)を示し,この結晶が分極(電荷の偏りを持つ構造)を持つことを初めて明らかにした。

観測されたSHGシグナルの入射偏光角度依存性よりYbFe2O4の持つ電気分極の方向を定めることに成功した。さらに,SHG強度と中性子散乱からみた超格子反射強度の温度依存性の比較から,YbFe2O4の分極状態が「Fe2+とFe3+の秩序の相関距離」にともなって変化することを見出し,この系が電子の秩序により強誘電性を示す初めての証拠を得た。

電子強誘電体は主に電子の配列と移動のみで分極を実現するため,従来型の強誘電体より高速かつ低エネルギーでの動作が可能となることが期待される。

具体的には,分極反転にともなう疲労の軽減,反転に必要な電場(抗電場)の低減が可能な高性能強誘電体や,ギガヘルツ帯を大きく超えた屈折率スイッチ(テラヘルツ~ペタヘルツ情報通信)の実現,更には強誘電体分極をメモリとして用いる際の書き込み・読み出しの時間スケールを大幅に高速化できるなど,現状と比較し100倍以上高性能な電子部品を提供できる可能性を持っているという。これによりIoT社会の実現を強力に推進できることが期待されるとしている。

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