広島大ら,強誘電体の電子状態をリアルタイム観測

広島大学,東京工業大学,静岡大学,高エネルギー加速器研究機構,ラトビア大学は,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初めて成功した(ニュースリリース)。

チタン酸バリウム(BaTiO3)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)を示し,スマートフォンなどの積層コンデンサーに用いられている。

チタン酸バリウムの優れた特性は,プラスの電荷をもつチタン(Ti)とマイナスの電荷をもつ酸素(O)の電子共有に由来するが,チタンと同じ陽イオンであるバリウム(Ba)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おらず,特に外部から加えた速い電圧変化に対して,元素間の結合状態がどのように追随し強誘電性として現れているのか未解明だった。

今回,KEKのフォトンファクトリーにて放射光X線の特性である元素種を見分ける能力を活かし,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用いて研究を行なった。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,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を,電圧が変化するタイミングに合わせて測定することに成功した。

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,研究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を世界で初めて明らかにした。

環境負荷の小さい材料の開発はこれからの科学技術に求められるように,希少金属(レアメタル)に頼らずとも,地球上に多く存在する身近な元素を用いることも求められる。

物質を構成する個々の元素がどのように特異な性質を生み出しているのか(元素選択的な理解),電子デバイスに実装された作動条件下で各原子がどのように応答しているのかを明らかにすること(リアルタイムな観測)が,材料開発において今後ますます重要になる。チタン酸バリウムは,人体に有害な鉛を使わない強誘電体として再注目されており,今回の研究が材料開発に新たな道筋を見出した。

今回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線吸収分光法は,電場をかけた条件下の誘電体材料のみならず,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に有効な手法になると期待されるとしている。

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