東京大学 生産技術研究所(東大生研)は、分子形状によって結晶の電気特性を制御可能なモデルを提案し、シミュレーションによって、相転移および応答を物理的に解明したと発表した。研究では、これまで経験則でしか明らかにされてこなかった、材料の強誘電秩序と反強誘電秩序の制御法について、解明を試みたという。

同成果は、同大生産技術研究所の高江恭平 助教、田中肇 教授らの研究グループによるもの。詳細は、米国科学誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」に掲載された。

強誘電秩序や反強誘電秩序は、電場によるスイッチングだけでなく、変形や熱と結びついた交差応答を示すことから、実用的な観点で期待を集めており、不揮発性メモリなどですでに活用されている。これらの制御は、無機材料では原子の置き換えおよび応力、有機材料では分子の一部を異なる基で置き換えることで実現してきたが、どのような置き換え方をすれば制御可能であるかといった物理的な原理はよく分かっていなかった。

そこで研究グループは今回、これらの秩序の発現には分子間の立体的な相互作用と電気的な相互作用との競合が重要であるという予想をもとに、電気双極子を持つ分子の形状を制御可能な、楕円体分子のモデルを提案し、研究を行ったという。

電気双極子が電気的な相互作用により作る秩序は、電気双極子の空間的な並び方、つまり、結晶構造の影響を強く受けるとされ、片方の分子形状を変えて分子間の立体的な相互作用を調節することにより、いくつかの結晶構造の安定性の制御が可能となる。

  • 電気双極子を持つ楕円体分子による分極秩序と結晶構造の関係

    電気双極子を持つ楕円体分子による分極秩序と結晶構造の関係。右図の状態に外部から電場や応力を与えることで、左図の状態に転移させることができる(出所:東京大学生産技術研究所Webサイト)

今回の研究では、両者の組み合わせによって、強誘電秩序相と反強誘電秩序相の間の相転移を、結晶構造の変化を伴いつつ引き起こすことが確認された。

  • 楕円体の形を制御することにより得られた相図

    楕円体の形を制御することにより得られた相図。横軸ηは楕円体の形を決める因子を、縦軸Tは温度を表す。楕円体の形が球に近い場合(ηが小さい)は強誘電秩序が、軸比が大きくなる(ηが大きい)と反強誘電秩序が安定になり、結晶構造の変化を伴う相転移を示す。相境界付近で大きな誘電・交差応答を示すことが確認された(出所:東京大学生産技術研究所Webサイト)

さらに、この相転移における結晶構造の差異に起因して電気的秩序が変化する際に、大きな変形や熱の発生、吸収という交差応答が生ずることも確認。これにより、電場をかけることで大きな変形や温度変化を誘起し、逆に応力や温度変化により分極秩序の相転移を誘起することに成功したという。

なお、研究グループは、同成果は、電気分極の秩序を分子の形状によって制御可能であるということを示しただけでなく、相転移を利用して大きな変形や熱の発生、吸収を示す材料を開発する物理的な指針を与えたとしている。また、分子磁石あるいは市販の磁石を用いて同様の効果が起こることが予想されるともしており、今後、予測を実証する実験的研究が期待されるとコメントしている。