広島大学、九州大学(九大)、山梨大学、高輝度光科学研究センター(JASRI)の4者は2月7日、優れた強誘電性と圧電性を持つ非鉛系圧電セラミックス材料の合成に成功し、同時に鉛を含まずに優れた圧電特性を得られるメカニズムを解明したことを共同で発表した。
同成果は、広島大大学院 先進理工系科学研究科のキム・サンウク助教、同・黒岩芳弘教授、九大大学院 工学研究院の宮内隆輝大学院生(研究当時)、同・佐藤幸生准教授、山梨大大学院 総合研究部研究員のナム・ヒョンウク博士、同・藤井一郎准教授、同・上野慎太郎准教授、同・和田智志教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、機能性材料に関する化学と物理学を扱う学際的な学術誌「Advanced Materials」に掲載された。
圧電素子は現代社会で重要な電子部品の1つだが、有害な鉛が含まれている点が課題となっていた。そのため、環境に優しい高性能非鉛系圧電材料を用いた圧電素子が望まれている。そうした中、ビスマス(Bi)イオンを含む「ビスマスフェライト(BiFeO3)」(BF)と「チタン酸バリウム(BaTiO3)」(BT)による「BF-BTセラミックス」が、高性能な次世代非鉛系圧電材料候補になりうることを報告したのが研究チームだ。
しかし同物質は、圧電性の発現メカニズムに関する物理的な理解が不足していることが課題だった。研究チームは、そのメカニズムを解明することができれば、新たな非鉛系圧電材料を開発するための材料設計指針を提案できると考え、今回研究に着手することにしたという。
BF-BTセラミックスは、BFとBTの粉末状原材料を混合し成形した後、高温で焼成することで作製される。その強誘電特性と圧電特性を調べたところ、強誘電体に特徴的な分極とひずみ曲線を得ることができたとする。同物質の自発分極の大きさは、積層コンデンサ材料としてよく利用されている典型的な強誘電体材料であるBTを凌駕しており、鉛系圧電材料である「チタン酸ジルコン酸鉛」(Pb(Zr,Ti)O3)に迫る圧電性を有していることが判明した。
BFとBTは、どちらもマイクロメートルサイズのドメインを持つ強誘電体として知られている。しかし、高分解能透過型電子顕微鏡を用いた観察の結果、BF-BTセラミックスにはナノメートルサイズのドメイン(ナノドメイン)が存在することが発見された。
