島根大ら,光などで高性能強誘電体のフラクタル性を解明

島根大学と量子科学技術研究開発機構の研究グループは,岐阜大学,大阪府立大学,筑波大学,関西学院大学との共同研究により,高性能な強誘電体結晶に潜む「フラクタル性」を光や放射光X線・電子線を組み合わせて広い時間・空間領域で明らかにした(ニュースリリース)。

強誘電体は原子レベルで正と負の電荷の重心がずれることによって生じる電気の「分極」を持つ。これにより電気を蓄えることや,電気と力や熱とを相互に変換できることから,コンデンサや圧電素子,センサーに使われる。

中でもリラクサー強誘電体は,材料の組成や分極の広がり・構造を複雑にすること,すなわち不均質化によって高い性能が実現される。この不均質な構造は原子レベルからミリメートルまで様々な大きさを持つとともに,様々な速さで動くことから,高い性能の本質を解明するためには「様々な長さや時間領域を計測する」ことが必要となる。

研究では,リラクサー強誘電体である不均質化した Pb(In1/2Nb1/2)O3 を対象に,構造を電子顕微鏡観察と放射光X線散乱計測により幅広い長さで計測するとともに,これらの構造が動く様子を光散乱により1GHzから100GHzまで観測した。

その結果,原子レベルから100nmにわたって自己相似的に類似した構造が揺れていること,すなわち「フラクタル性」を持つことが,構造と動きの両面から初めて確かめられた。一方,均質で性能が低い Pb(In1/2Nb1/2)O3 は「フラクタル性」を示さなかった。

この成果は,リラクサー強誘電体の高い性能の解明に向けた大きな一歩であり,世界中で進められている鉛を含まずより安全な強誘電体の開発への貢献が期待されるものだとしている。

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