リラクサー強誘電体の長年の謎を解明 ―ナノ極性領域の成長と相互作用を初めて直接観測―

2026-04-09 東北大学

東北大学多元物質科学研究所らの研究グループは、リラクサー強誘電体の性能起源に関する長年の謎を解明した。最先端の4D-STEM電子顕微鏡により、分極ナノ領域(PNR)が温度低下とともに成長し、ネットワーク状に連結する様子を世界で初めて直接観測した。一方、化学的規則領域(COR)は静的に存在することが確認され、これらの相互作用が「ランダム電場モデル」を実空間で裏付けた。これにより高誘電率・高圧電性の発現メカニズムが明確化され、次世代電子部品の材料設計に重要な指針を提供する成果となった。

リラクサー強誘電体の長年の謎を解明 ―ナノ極性領域の成長と相互作用を初めて直接観測―
図1. 材料内部のナノ領域の構造を示す概念図と、本研究で用いた最先端の電子顕微鏡の手法(4D-STEM)のイメージ。

<関連情報>

PMNリラクサーにおける極性ナノ領域および化学的に秩序だった領域の温度変化の直接イメージング:極性相パーコレーションの証拠
Direct imaging of temperature evolution of polar nanoregions and chemically ordered regions in PMN relaxor: Evidence for polar phase percolation

Kohei Hino;Daisuke Morikawa;Desheng Fu;Mitsuru Itoh;Kenji Tsuda
Applied Physics Letters  Published:April 06 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0297426

Polar nanoregions (PNRs) are central to understanding the exceptional dielectric and piezoelectric properties of relaxor ferroelectrics and are key to advancing dielectrics for high-energy storage. However, direct real-space imaging of their formation and evolution remains a major challenge in condensed matter physics. Here, we report the real-space mappings of both PNRs and chemically ordered regions (CORs) in the prototypical relaxor Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 and their temperature dependence using convergent-beam electron diffraction combined with four-dimensional scanning transmission electron microscopy. The results reveal that CORs, with sizes of 2–5 nm, remain static with temperature and act to suppress PNR growth. In contrast, PNRs evolve from isolated 2–5 nm regions at room temperature to interconnected structures ∼10 nm in size at low temperatures, indicative of a percolation transition. These observations support the random-field model, in which PNRs emerge from a paraelectric matrix and their growth and collective interactions are constrained by random local fields associated with CORs.

0403電子応用
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