島根大ら,新規ラマン顕微鏡で原子の振動方向を特定

島根大学,立命館大学,量子科学技術研究開発機構は,材料の原子の振動状態を調べることが出来る従来のラマン顕微鏡を発展させて,光の揺れる方向を表す偏光の情報を光学素子の角度を変えることによって取り込むことができる「角度分解偏光ラマン顕微鏡」を開発した(ニュースリリース)。

Pb(Mg1/3Nb2/3)O3とPbTiO3の混晶に代表されるリラクサー強誘電体は,誘電率や圧電定数が非常に高いことから既に実用材料として市場に供されている。特に,超音波診断装置における超音波発生/検出素子として重要な役割を担っていて,リラクサー強誘電体のさらなる性能向上が期待されている。

現在,リラクサー強誘電体が高性能な原因に関して,素子の内部でナノメートルサイズの分極領域が不均質なパターンを形成することによって,多くの電気が蓄えられたり,同じ力からでも多くの電気を発生させたりすることが分かっている。しかし,Pb(Mg1/3Nb2/3)O3とPbTiO3の混合比率と優れた誘電率や圧電定数の関係については,未解明な点が多い。

研究では,Pb(Mg1/3Nb2/3)O3とPbTiO3の混合比率が誘電性に与える影響を詳しく調べるために,混合比率を連続的に変化させながら育成した結晶を使って,場所(観測座標)を変えながら材料の原子の振動状態を調べることが出来るラマンスペクトルを取得して,「ラマン画像」を作成した。

今回,従来の「1点で1スペクトル取得するラマン顕微鏡」を発展させた「角度分解偏光ラマン顕微鏡」を用いたことで,1点につき光の揺れる方向を表す偏光方向が異なる数十のスペクトルを取得することが可能となり,原子の振動方向の情報も得られるようになった。

そして,大量のスペクトルを含む角度分解偏光ラマン画像を多変量解析で処理して,情報科学に基づいて正確かつ効率的に分極の情報を抽出した。その結果,従来手法では困難であった,結晶内における分極配置やナノメートルの大きさの分極領域の揺れる速さを場所ごとに決めることができた。

分極が揺れる速さを様々な混合比率で比較した結果,「ナノメートルの大きさの分極がゆっくりと揺れる結果,電気をたくさん蓄えられる―つまり誘電率が高い」ことを明らかにした。

角度分解偏光ラマン顕微鏡の開発と解析手法の発展により,物質の性質をより深く知ることができるようになった。研究グループは,今回明らかになった混合比率と誘電率の関係は,材料開発における重要な指針を含んでおり,リラクサー強誘電体の性能向上が期待されるとしている。

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