材料系 News

東研究室 ―研究室紹介 #66―

新しい機能性酸化物の開拓と機能発現機構の解明 ―低次元磁性体から非鉛圧電体まで―

2017.10.06

材料系では「金属材料」「有機材料」「無機材料」の3つの分野にフォーカスし、独創的かつ挑戦的な研究・開発を推進しています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、新しい機能性酸化物の開拓と機能発現機構の解明をする、東研究室です。

教授東正樹　特任助教重松圭

無機分野
材料コース
研究室：すずかけ台キャンパス・J1棟904号室
教授東正樹　特任助教重松圭

研究分野	機能性セラミックス / 負の熱膨張 / 量子磁性体 / 非鉛圧電体
キーワード	機能性酸化物、新物質探索、精密構造解析、固体化学
Webサイト	東研究室東正樹 - 研究者詳細情報（STAR Search）重松圭 - 研究者詳細情報（STAR Search）

研究分野

機能性セラミックス / 負の熱膨張 / 量子磁性体 / 非鉛圧電体

キーワード

機能性酸化物、新物質探索、精密構造解析、固体化学

Webサイト

東研究室

東正樹 - 研究者詳細情報（STAR Search）

重松圭 - 研究者詳細情報（STAR Search）

研究目的および概要

遷移金属酸化物は磁性、強誘電性、超伝導性などの様々な有用な機能を示します。我々はダイヤモンド合成に使われる高圧合成法や、単結晶基板をテンプレートとした薄膜法などの手段を駆使して、温めると縮む負の熱膨張材料、環境に有害な鉛を排した圧電体、強磁性と強誘電性が共存する材料などの、新しい機能性酸化物を開拓しています。温度や圧力の変化によって機能が発現する際の、わずかな結晶構造変化を放射光線や中性子線を用いて検知し、機能の発現メカニズムを解明します。こうして得られた情報からさらに新しい材料を設計、合成するというサイクルで研究を展開しています。非常に基礎的な低次元磁性体から、応用をにらんでの非鉛圧電体開発に至るまで、幅広い視点で材料の探索を行っています。

代表的な研究テーマ

ナノテクノロジーを支える ―負の熱膨張物質

加熱によってBiとNiの間で電荷移動が起こるBiNi0.85Fe0.15O3。Ni2+からNi3+への酸化に伴いNi-O結合が収縮、巨大な負熱膨張を示します。

加熱によってBiとNiの間で電荷移動が起こるBiNi_0.85Fe_0.15O₃。Ni²⁺からNi³⁺への酸化に伴いNi-O結合が収縮、巨大な負熱膨張を示します。

半導体製造装置や光通信などの精密な位置決めが要求される場面では、材料の熱膨張が問題になります。昇温に伴って縮む、「負の熱膨張」を示す材料は、部材の熱膨張を補償するために使われます。我々のグループでは、BiNi_0.85Fe_0.15O₃が既存材料の6倍もの巨大な負の熱膨張を示す材料であることを発見、多数の新聞に報道されました。この発見は、母物質であるBiNiO₃（これも我々が見つけた新物質です）の、圧力下の電子状態と結晶構造の変化を調べる研究から生まれました。基礎研究が特許性を持つ材料開発につながる好例です。

環境問題解決へ向けて ―非鉛圧電体

非鉛圧電体BiFe1-xCoxO3薄膜の走査透過電子顕微鏡像（左）と圧電カーブ（右）。Coの置換量を増やすに従い圧電性が増大します。

非鉛圧電体BiFe_1-xCo_xO₃薄膜の走査透過電子顕微鏡像（左）と圧電カーブ（右）。
Coの置換量を増やすに従い圧電性が増大します。

電気と運動を変換する圧電材料は、インクジェットプリンター等のアクチュエーターや超音波診断装置等のセンサーとして広く使われ、私たちの生活を支えています。現在主流の材料であるPbZrO₃-PbTiO₃固溶体（PZT）は環境に有害な鉛を重量にして64%も含んでいるため、代替材料の探索が急務です。PZTの結晶構造に倣い、種々の非鉛圧電材料の設計・開発を行っています。

次世代メモリ材料 ―強磁性強誘電体

BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の磁気力顕微鏡像（左）と圧電応答顕微鏡像（右）。強誘電ドメインと強磁性ドメインの相関が明らかになってきました。

BiFe_0.9Co_0.1O₃薄膜の磁気力顕微鏡像（左）と圧電応答顕微鏡像（右）。強誘電ドメインと強磁性ドメインの相関が明らかになってきました。

磁石（磁性）とコンデンサー（強誘電性）の性質を併せ持つ物質は、強磁性強誘電体、又はマルチフェロイクスと呼ばれ、次世代のメモリーやセンサー材料として注目されています。我々のグループでは、BiFeO₃のFeをCoで置換することによりスピンの並びが変化し、室温で弱強磁性と強誘電性が共存するマルチフェロイック物質となることを発見しました。電場による磁化反転の実証を目指し、単結晶・薄膜合成の両面から研究を進めています。

当研究室について

当研究室の学生の4年生時の研究テーマは、有機合成、錯体、表面科学など、様々です。上記の研究内容に馴染みが無くても、用語がわからなくても、心配いりません。好奇心のある、元気なあなたを待っています。また、企業との共同研究も盛んで、数名の方が研究室に出入りします。就職活動やその後の社会人生活の貴重な体験談を沢山聞けるはずです。