電気分極の回転による圧電特性の向上を確認

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の北條元助教、東正樹教授、清水啓佑大学院生、東京大学大学院 工学系研究科の幾原雄一教授の研究グループは、圧電体^[用語1]の結晶中で、電気分極^[用語2]の方向が回転することにより圧電特性が向上することを、実験的に確認することに成功した。分極の回転は、実用材料であるジルコン酸チタン酸鉛（PZT）の巨大圧電特性の起源といわれながら、これまで実際に圧電特性向上に寄与することが実験的に確認されたことがなかった。

本研究グループは、PZTを模して新しく開発したコバルト酸鉄酸ビスマス圧電体を、圧電特性の評価が可能な薄膜形態で安定化させ、その結晶構造と圧電特性を詳しく調べた。その結果、分極回転の起こりうる結晶構造で圧電特性が向上することを見いだした。また、圧電特性は、結晶歪みの大きな構造、すなわち分極が回転する余地のある構造ほど向上した。今回の結果は環境に有害な鉛を使わない新圧電材料の開発につながると期待される。この成果は独国科学誌「Advanced Materials」のオンライン版で8月24日に公開される。

研究の背景

力を加えると電荷が発生し、電圧をかけると変形する圧電体は、電気と運動（変形）を変換する物質であり、センサーやアクチュエーター（駆動装置）^[用語3]として、超音波診断機やインクジェットプリンター、カメラなどさまざまな電子機器に使われている。現在の主流はPZTと呼ばれる、チタン酸鉛とジルコン酸鉛が混ざりあった固溶体材料だが、毒性元素である鉛を重量で68%も含むため、国際社会からは非鉛の代替物質の開発が望まれている。

PZTの優れた圧電特性は、菱面体晶ペロブスカイト^[用語4]のジルコン酸鉛と正方晶ペロブスカイト^[用語5]のチタン酸鉛との相境界に、単斜晶相^[用語6]と呼ばれる対称性の低い結晶相が存在し、そこでは電気分極の方向が結晶構造内で変化（回転）できることによると考えられている（図1）。すなわち分極の回転によって大きな歪みが生じる。しかし、こうした分極回転が実際に圧電特性向上に寄与することが、実験によって確認されたことはなかった。

研究成果

東教授ら研究グループは、結晶構造の類似性から、菱面体晶ペロブスカイトの鉄酸ビスマスと正方晶ペロブスカイトのコバルト酸ビスマスとが混ざり合った固溶体、BiFe_1-xCo_xO₃に着目した。その詳細な結晶構造の解析を行うことにより、PZTで見つかっているのと同様のM_A型^[用語7]の単斜晶相が同固溶体に存在すること、またその結晶構造において電気分極の回転が実際に起こりうることを示してきた。

今回、北條助教、東教授ら研究グループは、BiFe_1-xCo_xO₃を圧電特性の評価が可能な薄膜形態で安定化させることに成功した。薄膜X線回折^[用語8]と走査透過電子顕微鏡^[用語9]を用いた詳細な結晶構造解析を実施し、コバルト量の増加に伴いその結晶構造がPZTとは分極の方向が異なるM_C型^[用語10]の単斜晶相からM_A型の単斜晶相へ、さらに正方晶相へと変化することを見いだした。

詳細な圧電特性評価の結果、M_A型の単斜晶相において圧電特性が向上することが明らかとなった（図2）。また、結晶歪みの大きな構造、すなわち分極が回転する余地のある構造ほど圧電特性が向上した。このことは、電気分極の方向が回転することによって圧電特性が向上することを意味している。

今後の展開

今回の成果はPZTの優れた圧電特性の起源であるとされていた、単斜晶相における電気分極の回転が実際に圧電特性向上に寄与することを実験的に証明したものである。これにより、ペロブスカイト圧電体の圧電特性向上のためガイドラインが示され、新しい非鉛圧電体の開発に拍車がかかるものと期待されている。

付記

本研究の一部は、神奈川科学技術アカデミー・戦略的研究シーズ育成事業「革新的巨大負熱膨張物質の創成」（代表・東正樹東京工業大学教授）、文部科学省・科学研究費補助金・新学術領域研究「ナノ構造情報のフロンティア開拓?材料科学の新展開」（代表・田中功京都大学教授）、日本学術振興会・科学研究費補助金・若手研究B「電界誘起の構造相転移を用いた巨大な圧電応答の実現」（代表・北條元東京工業大学助教）、基盤研究A「ビスマス・鉛ペロブスカイトのs-d軌道間電荷分布変化解明と巨大負熱膨張への展開」（代表・東正樹東京工業大学教授）、挑戦的萌芽研究「分極回転機構による巨大圧電材料の実現」（代表・東正樹東京工業大学教授）、旭硝子財団研究助成「ナノ構造の解析と制御によるBi系ペロブスカイト圧電体の開発」（代表・北條元東京工業大学助教）の援助を受けて行った。