相変化メモリの高度化につながる、圧力下でのガラス相転移機構を解明

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2023-12-07 筑波大学

研究イメージ画像(Image by Emir Kaan/Shutterstock)

圧力変化に伴う相変化材料(ガラス)の原子配列の変化を調べたところ、大気圧下で見られた規則的な原子配列が圧力上昇に伴って抑制され、これに伴い体積弾性率は上昇することが分かりました。過冷却液体の相転移機構と同じであることも判明しました。相変化メモリ等の高度化に貢献する成果です。

物質に温度や圧力を加えると、その状態が液体から固体に変わったり、固体のままでもその構造が変わったりします。こうした変化を相転移、あるいは相変化と呼びます。

ガラスは結晶化していない固体のことです。液体を急速に冷却すると凝固点を過ぎても結晶化せずに過冷却液体となり、さらに冷却すると硬いガラス状態に移行します。ガラス内部の原子配列は一見無秩序ですが、さまざまな規則性を示し、ガラスの物理的・化学的性質と密接な関連を示します。不揮発性メモリやブルーレイなど光ディスクの記録膜として用いられる相変化材料でも、ガラスの性質はデバイスの性能を左右する重要な役割を果たします。これらの材料は温度や圧力の変化でガラスの性質が大きく変化する(相転移する)ことが知られていましたが、その背景にある原子配列の変化については未解明でした。

本研究グループは、高輝度の放射光X線を使用した高圧回折実験と機械学習を用いた数値計算シミュレーションを組み合わせ、圧力の変化に伴う相変化材料(ガラス)の原子配列の変化を調べました。

その結果、大気圧下で見られた「パイエルス様歪(ひずみ)」と呼ばれる規則的な原子の配列が、圧力の上昇に伴って抑制されることが分かりました。また、それに伴ってガラスの体積弾性率が上昇する(圧力を受けても体積が変化しにくくなる)ことも明らかになりました。さらに、このようなガラスの相転移のメカニズムは、過冷却液体と呼ばれる別の状態において観測された相転移の機構と本質的に同じであることも分かりました。

相変化材料が持つ過冷却液体としての性質は、光ディスクへの書込み速度やデータ保持性に重要な役割を果たします。本成果は、パイエルス様歪が相変化材料の性質を左右する本質的な構造的特徴であることを示し、相変化メモリなどの高度化に向けた新材料開発の指針となる可能性があります。

PDF資料

プレスリリース

研究代表者

オーフス大学化学科
藤田 知樹 研究員(研究開始時筑波大学)
筑波大学数理物質系
西堀 英治 教授
愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター
河野 義生 准教授
理化学研究所放射光科学研究センター
井上 伊知郎 研究員

掲載論文
【題名】
Pressure-induced reversal of Peierls-like distortions elicits the polyamorphic transition in GeTe and GeSe.
(圧力に誘起されたパイエルス様歪の反転が引き起こすテルル化ゲルマニウムとセレン化ゲルマニウムのポリアモルフィック転移)
【掲載誌】
Nature Communications
【DOI】
10.1038/s41467-023-43457-y

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