名大ら,新奇な誘電率増強効果を発見

名古屋大学,慶應義塾大学,熊本大学,東京工業大学は,チタン石型酸化物における新しい反強誘電体と,ドメイン壁に起因する新奇な誘電率増強効果を発見した(ニュースリリース)。

誘電体は,コンデンサや周波数フィルタ,不揮発性メモリなどに広く応用されており,半導体や磁性体と並んで,現代のエレクトロニクスを支える重要な物質系。誘電体は,常誘電体,強誘電体,そして反強誘電体に大別される。

常誘電体は,いわゆる“普通の”誘電体で,主に絶縁体として利用されている。一方で強誘電体は,物質中で電気双極子が平行に整列しているという特徴をもっており,電場を加えなくても自発的な分極が生じる。

一方,反強誘電体中では,隣り合う電気双極子が互いに反平行に並んでおり,電場を加えることでそれらの電気双極子が平行に再配列する。この現象を利用することで,高密度蓄エネルギー特性や高電場印加下での高誘電率などの優れた特性を備えた誘電体材料の創製が可能となる。

これまでにチタン石型酸化物が反強誘電性をもつ可能性が提案されていたが,未だ実証に至っていなかった。それに対してこの研究では,チタン石型酸化物の一種であるCaTiSiO5の反強誘電性を実験的に観測することに初めて成功した。

さらに,Siの一部をGeで置換したCaTi(Si0.5Ge0.5)O5において,この物質系の誘電率が著しく増大することを見出した。また,この誘電率増大効果が,ドメイン壁と呼ばれる局所構造近傍に生じる極性領域に起因することを明らかにした。この結果は,反強誘電体は極性をもたないという従来の常識を覆すもの。

研究では,チタン石型酸化物において新しい反強誘電体を見出すとともに,反強誘電体のドメイン壁の性質に関して,これまでの常識を超えた新しい学術的知見を得た。研究グループは,今回得られた成果について,誘電体に関する従来の理解を更新するだけでなく,新規反強誘電体開発の加速を通して,パワーエレクトロニクスやエネルギー回生,パルスパワーなどの技術革新につながる可能性があるとしている。

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