強誘電体界面の電荷分布直接観察に成功~強誘電体デバイスの理解と性能向上を加速~

ad

2025-06-14 科学技術振興機構,東京大学

東京大学とJST(科学技術振興機構)のERATOプロジェクトにて、強誘電体のドメイン界面におけるナノスケールの電荷分布を“超原子分解能”電子顕微鏡により初めて直接観察することに成功しました。従来、強誘電体内部のドメイン界面に蓄積する電荷は、積層セラミックコンデンサー(MLCC)の漏れ電流やドメイン再配列などに影響を与え、性能・信頼性に重大な役割を担うと推察されてきましたが、その直接測定は困難でした。今回、局所電荷測定とピコメートル単位の原子変位観察を組み合わせた手法で、これを克服。強誘電体デバイスの真の物理応答の理解と性能向上に向けた道を切り開きました。論文は2025年6月13日(米国東部夏時間)に「Science Advances」に掲載されています。

強誘電体界面の電荷分布直接観察に成功~強誘電体デバイスの理解と性能向上を加速~
(a)HH界面の模式図。分極Pの向きが界面に対して向かい合っており、界面には正の分極電荷が形成されると考えられる。
(b)TT界面の模式図。分極Pの向きが界面に対して背中合わせとなっており、界面には負の分極電荷が形成されると考えられる。

<関連情報>

ナノスケール強誘電体界面における分極誘起電荷の実空間観察 Real-space observation of polarization induced charges at nanoscale ferroelectric interfaces

Masaya Takamoto, Satoko Toyama, Takehito Seki, Toshihiro Futazuka , […] , and Naoya Shibata
Science Advances  Published:13 Jun 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adu8021

Abstract

Unique electrical properties emerging at nanoscale ferroelectric interfaces originate from the polarization induced charges. However, real-space characterization of polarization induced charges at nanoscale ferroelectric interfaces has been extremely challenging. Here, directly observing the nanoscale electric field by tilt-scan averaged differential phase contrast scanning transmission electron microscopy enables us to measure the spatially varying total charge density profiles across both head-to-head and tail-to-tail domain walls in a ferroelectric crystal. Combined with atomic column displacement measurements, the spatial distribution of polarization bound charges and screening charges across the domain walls can be disentangled. Our results reveal the true charge states of the nanoscale ferroelectric interfaces, providing an opportunity for experimentally exploring the interplay between atomic-scale local polarization structures and their charge states in ferroelectric interfaces.

0403電子応用
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました