鉛を使わなくても優れた強誘電性・圧電性が得られる セラミックス材料の設計指針を提案 ～ビスマスイオンを含むナノドメインの導入～
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2023年02月09日
広島大学大学院先進理工系科学研究科のキム·サンウク助教、黒岩芳弘教授、九州大学大学院工学研究院の大学院生宮内隆輝氏（研究当時）、佐藤幸生准教授、山梨大学大学院総合研究部の研究員ナム·ヒョンウク博士、藤井一郎准教授、上野慎太郎准教授、和田智志教授からなる共同研究グループは、優れた強誘電性と圧電性をもつ非鉛系圧電セラミックス材料の合成に成功しました。スマートフォンや自動車などの電子機器に用いられている圧電素子には、長年にわたり鉛を含む圧電材料が使用されてきました。今回、合成に成功した材料は鉛を含まないために、環境にやさしい圧電材料として期待できます。SPring-8での放射光X線回折実験（SR-XRD）と高分解能透過型電子顕微鏡観察(TEM)により鉛を含まなくても優れた圧電特性が得られる新しいメカニズムを解明しました。
強誘電性を示す圧電材料の圧電特性は、結晶の単位構造由来の本質的寄与と強誘電分域（ドメイン）等由来の非本質的寄与により発現します。一般に、本質的な寄与分 を除いたすべての寄与分が一括りに非本質的な寄与によるものと考えられてきました。
チタン酸バリウム（BaTiO3：BT）とビスマスフェライト（BiFeO3：BF）を固溶させてセラミックスを合成したところ、特定化学組成で立方晶に見えるにもかかわらず、優れた強誘電性を示すことを発見しました。また、従来の鉛を含むチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3：PZT）に匹敵する圧電性を示すことも発見しました。
電場印加下での構造解析の結果、ペロブスカイト型構造のAサイトを占めるバリウム（Ba）イオンとビスマス（Bi）イオンのうち、Bi イオンが理想的な原子位置を占める Ba イオンの位置から少しずれた乱れた原子位置を占め、局所的に強誘電性を示すナノドメインを形成することを明らかにしました（図1）。このナノドメインは、電場を印加することで電場方向に整列させることが可能です。このように、非本質的な寄与の一つとしてナノドメインからの寄与というものがあり、この寄与の分を大きくすることで鉛を含まなくても優れた特性をもつ圧電材料をデザインすることができるという新しい材料設計の指針を示しました。
図1 BiFeO3-BaTiO3セラミックスにおけるナノドメインの形成
本研究成果は材料分野で著名な国際誌である「Advanced Materials」のオンライン版に2023年2月6日付で掲載されました。https://doi.org/10.1002/adma.202208717
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