筑波大ら,強誘電体結晶について分光で新しい知見


筑波大学と島根大学は共同研究により,巨大圧電効果を示す強誘電体結晶である(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 -xPbTiO3(PMNT)について,その鍵となるナノサイズ極性領域についての検討を行なった。光散乱スペクトルにおけるセントラルピークの温度依存性,偏光角度依存性,電場依存性を調べることにより,PMNTのナノサイズ極性領域の存在やその構造についての新しい知見を得た(ニュースリリース)。

強誘電体は温度の上昇により,自発分極を持つ強誘電相から自発分極を持たない常誘電相に相転移し,圧電効果,電気光学効果など多岐にわたる応用がある。中でもリラクサー強誘電体では,ナノサイズ極性領域と呼ばれる局所構造の存在が,巨大な電場応答において重要な役割を担っていることがわかっている。しかし,その具体的な構造や機能はよくわかっていなかった。

一方,時間とともに揺らぎ,温度で顕著に変化するナノサイズ構造を調べる分析手法はまだ確立されていない。研究ではギガヘルツ帯からテラヘルツ帯に及ぶ振動数領域の分光を行なうことにより,この問題を解決した。ナノサイズの局所構造の対称性については,テラヘルツ帯のラマンスペクトルの角度依存性の測定が,ナノサイズの構造の時間的な分極の揺らぎについては,ギガヘルツ帯の広帯域ブリルアン散乱分光によりセントラルピークを調べるのが有効であることが示された。

これらの結果より,PMNTのセントラルピークでは,分極揺らぎの横緩和により偏光解消散乱が,緩和により偏光散乱がそれぞれ起こり,強誘電体相転移については前者が重要であることが初めてわかった。

リラクサー強誘電体は,その巨大圧電効果や巨大誘電率などにより有望な機能性材料として期待されており,他の元素の添加によるナノサイズ極性領域の制御も検討されている。この研究の手法は,リラクサー強誘電体材料の改良とともに,巨大外場応答を示す幅広い機能性誘電体材料開発のさらなる進展に寄与するとしている。またこの手法は,結晶だけではなくセラミクスやナノ粒子など広く適用できるので,今後の誘電体材料における優れた機能性発現の指針となるナノサイズ局所構造の評価に役立つことが期待されるという。

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