ナノスケールで強誘電性が発現することを発見(Ferroelectricity Emerges at the Nanoscale)

2026-08-06 ローレンス・バークレー国立研究所(LBNL)

米国ローレンス・バークレー国立研究所(LBNL)の研究チームは、従来は強誘電性を示さないと考えられていた材料が、ナノスケールまで微細化されることで自発分極を持つ強誘電性を発現することを実証した。放射光施設を用いた高分解能計測と理論解析により、材料内部の原子配列や表面・界面で生じる構造変化が、ナノ領域で対称性を破り強誘電状態を安定化させることを明らかにした。この現象は、材料を小型化すると強誘電性が失われるという従来の常識を覆す成果であり、ナノ構造そのものを利用して新たな機能を創出できる可能性を示している。得られた知見は、超低消費電力メモリ、不揮発性メモリ、ナノエレクトロニクス、センサー、量子デバイスなど次世代電子デバイスの開発に重要な設計指針を提供するとともに、ナノ材料における物性発現メカニズムの理解を大きく前進させる成果である。

ナノスケールで強誘電性が発現することを発見(Ferroelectricity Emerges at the Nanoscale)
Left: Cross-sectional electron microscopy image showing one-nanometer-thick titanium dioxide film grown on a silicon substrate and capped with platinum metal. Right: Schematic detailing titanium dioxide layers deposited on silicon. (Credit: Sayeef Salahuddin/Koushik Das/Berkeley Lab)

<関連情報>

原子スケールの二酸化チタン誘電体膜における強誘電性 Ferroelectricity in atomic-scale titanium dioxide dielectric films

Koushik Das, Kate Reidy, Sajid Husain, Jong Ho Park, […] , and Sayeef Salahuddin
Science  Published:5 Mar 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aec9417

Abstract

Ferroelectricity at atomic-scale thickness would have important applications in next-generation electronics. Here, we report that a ferroelectric phase can be stabilized in titanium dioxide (TiO2) films, a commonly known dielectric that is widely used in semiconductor technologies, by reducing thickness to <3 nanometers. Importantly, this ferroelectricity persists down to 1-nanometer thickness, approximately twice the unit-cell dimension. This thickness-dependent dielectric-to-ferroelectric phase transition demonstrates that an otherwise centrosymmetric, nonferroic fluorite-structure oxide can undergo structural inversion-symmetry breaking and exhibit voltage-switchable polarization. Atomic layer deposition–based low-temperature (<400°C) synthesis and the stability of this ferroelectricity on both silicon (Si) and amorphous surfaces [such as amorphous silicon dioxide (SiO2) and amorphous carbon films] demonstrate the feasibility of integration with a large variety of materials.

0403電子応用
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