高性能強誘電体に潜むフラクタル性を解明

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光・放射光X線・電子線を駆使して高性能強誘電体に潜むフラクタル性を解明

2017/12/14

発表のポイント

●高性能強誘電体に潜む法則性(フラクタル性)を解明。
●複数の量子ビーム計測技術の利用により,原子の並びの法則性と性能の関係を解明。
●環境に優しい高性能強誘電体の実現に期待。

概要

国立大学法人島根大学(学長 服部泰直)の塚田真也准教授と国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(理事長 平野俊夫)の大和田謙二上席研究員を中心とする研究グループは,国立大学法人岐阜大学(学長 森脇久隆)の大和英弘准教授・安田直彦名誉教授,公立大学法人大阪府立大学(学長 辻洋)の森茂生教授,国立大学法人筑波大学(学長 永田恭介)の小島誠治特命教授,関西学院大学(学長 村田治)の寺内暉名誉教授,島根大学の秋重幸邦理事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ました。
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」を持ちます。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,センサーに使われます。中でもリラクサー強誘電体1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ます。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」ことが必要です。
本研究では,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1 GHzから100 GHzまで観測しました。その結果,原子レベルから100 nm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」2を持つことが,構造と動きの両面から初めて確かめられました。一方,均質で性能が低いPb(In1/2Nb1/2)O3は「フラクタル性」を示しませんでした。
本成果は,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ます。
今回の研究成果はサイエンティフィックレポート (Scientific Reports) 誌オンライン版に12月13日付で掲載されます。

http://www.qst.go.jp/information/itemid034-003270.html

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