複数元素置換で鉄酸ビスマスに新しい機能を付与~コンデンサーと磁石の性質に加え、室温での負熱膨張を発現~

2025-11-28 東京科学大学

東京科学大学らの研究グループは、ペロブスカイト型酸化物 BiFeO₃ の A・B サイト両方に元素置換を行い、強誘電性と強磁性を同時に示す新材料を開発した。ビスマス(Bi)をカルシウム(Ca)で、鉄(Fe)をルテニウム(Ru)やイリジウム(Ir)で部分置換することで、強磁性を妨げていたスピンサイクロイド構造が消失し、自発磁化が発現した。保磁力は従来の Co 置換系より約4倍向上し、次世代の低消費電力不揮発性磁気メモリ材料として期待される。また構造解析により、常誘電相への転移温度が大幅に低下し、室温近傍で 1.77%の負熱膨張が起こることも明らかになった。高圧を要した既存の負熱膨張材料 BNFO と異なり、本材料は改善可能な合成条件を備え、安価で高性能な負熱膨張材料としても期待が持たれる。A-B サイト同時置換という設計指針は、他の多機能性材料開発にも応用可能である。

複数元素置換で鉄酸ビスマスに新しい機能を付与~コンデンサーと磁石の性質に加え、室温での負熱膨張を発現~
図1. 鉄酸ビスマス(左)と、A-Bサイト元素置換鉄酸ビスマス(右)の磁気構造の模式図。鉄酸ビスマスでは右に進むにつれてスピンの方向が一回転するサイクロイド変調があるため、スピンの磁化は打ち消し合い自発磁化は現れない。一方、元素置換鉄酸ビスマスではスピンが傾斜しているため、磁化は打ち消し合わずに電気分極に直交した自発磁化が現れる。

<関連情報>

AサイトおよびBサイト置換ビスマスフェライトにおける傾斜スピン弱強磁性と負の熱膨張の実現 Achieving Canted-Spin Weak Ferromagnetism and Negative Thermal Expansion in A- and B-Site-Substituted Bismuth Ferrite

Kano Hatayama,Jun Miyake,Daiki Ono,Yusuke Shiono,Takumi Nishikubo,Koomok Lee,Shogo Wakazaki,Hena Das,Kei Shigematsu,Tomoko Onoue,Ko Mibu,Shogo Kawaguchi,Takafumi Yamamoto,and Masaki Azuma
Journal of the American Chemical Society  Published: November 28, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c12255

Abstract

BiFeO3 is the most intensively investigated multiferroic material. It has a cycloidal spin modulation superimposed on G-type antiferromagnetic ordering of Fe3+ (S = 5/2), which prohibits the appearance of a net magnetization. We found that the simultaneous substitution of Ru4+ or Ir4+ for Fe3+ and Ca2+ for Bi3+ suppressed the cycloidal modulation and induced canted weak ferromagnetism at room temperature, while preserving the polar rhombohedral crystal structure. Moreover, the A- and B-site substitutions substantially lowered the ferroelectric transition temperature and resulted in a 1.77% volumetric negative thermal expansion around room temperature. These findings open an avenue for designing new BiFeO3-based functional materials.

0501セラミックス及び無機化学製品
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