名工大ら,鉛フリー圧電材をX線ホログラフィ解析

名古屋工業大学,独エアランゲン=ニュルンベルク大学,高輝度光科学研究センター(JASRI),広島市立大学は,近年注目されているBaTiO3ベースの鉛フリー圧電材料に最先端の構造解析手法である蛍光X線ホログラフィーを適用し,添加したCa原子が大きく変位していることを明らかにした(ニュースリリース)。

「鉛フリー化」が世界的な潮流となる中,圧電材料の鉛フリー化は喫緊の課題となっている。しかし,現在広く使われているチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の圧電特性が極めて優れていることから鉛フリー化は進んでいない。

その中で,化合物(Ba,Ca)(Zr,Ti)O3(BCZT)が,PZTに置き換わる鉛フリー圧電材料として有望視されているが,その圧電特性を示すメカニズムは分かっていおらず,BCZTの使用可能温度域の拡大や新しい鉛フリー圧電材料の創生には,そのメカニズム解明が不可欠だった。

圧電現象は,正負に帯電した原子が元の位置からずれることで生じる分極が起源となっている。PZTでは,正に帯電したPb原子位置のずれが大きな圧電特性の起源になっていることが知られている。

BCZTにおいても,Pbのように大きく変位する元素が含まれている可能性がある。このような観点から,研究グループは,BCZTを構成する元素のうち,他の元素に比べてサイズが小さく,周囲に隙間があって動きやすいと考えられるCaに着目した。

研究では蛍光X線ホログラフィーをCaのみを添加した(Ba0.9Ca0.1)TiO3に適用した。この手法は物質を構成する各元素に関して三次元的な原子配列を可視化でき,圧電体の原子位置のずれを精密に評価できることが分かってきている。実験は,大型放射光施設SPring-8で実施した。

実験ではCaおよびBaのホログラムを取得し,原子像再生と呼ばれる数値処理を行なうことで原子像を導出した。その結果は,まさにCa原子が動いていることを示した。原子像の形状を詳細に解析することで,Ca原子は0.36Å程度変位していることが分かった。

この値は,これまで報告されているPZTにおけるPbの変位量とおおよそ一致し,BCZTのCa原子は,PZTにおけるPbの役割に相当する効果を生み出していることが示唆された。

研究グループはこの成果が,鉛フリー圧電材料の探索と創生を一層加速するものだとしている。今後,BCZTを構成するCa以外の元素についても,蛍光X線ホログラフィーで解析を進める。さらに,電圧を印加した状態で原子の変位を観測する、「その場測定」についても技術開発を進めているという。

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