すべてのイオン伝導体がメモリになりうる~結晶構造の制約を打破し、イオンの偏りで分極を生み出す新たな材料の創出~

2026-09-18 九州大学

九州大学などの研究チームは、従来は強誘電体にならないと考えられていたプロトン伝導体を、巨大な分極を示す新しい機能性材料として利用できることを発見した。開発したNa₂MnN(CN)₄・3.25H₂Oは、外部電場を加えることでプロトンが結晶内で偏り、その後も分極状態を保持する「強誘電イオン伝導体」として振る舞う。単結晶による測定では、室温・相対湿度80%などの条件で438 mC/cm²という超巨大な残留分極を確認し、代表的な酸化物強誘電体であるチタン酸バリウムの約17,000倍に達した。これは、従来の「極性結晶構造が必要」という強誘電体設計の制約を超え、イオン伝導とイオン変位を利用すれば非極性結晶にも大きな分極機能を付与できる可能性を示す。将来的には不揮発性メモリ、センサー、エネルギーハーベスティングなどへの応用が期待される。

すべてのイオン伝導体がメモリになりうる~結晶構造の制約を打破し、イオンの偏りで分極を生み出す新たな材料の創出~
(参考図1) 今回報告したNa2MnN(CN)4・3.25H2Oの結晶構造と強誘電ヒステリシス。

<関連情報>

長距離イオン変位による中心対称結晶における多方向巨大分極 Multidirectional Colossal Polarization in a Centrosymmetric Crystal via Long-Range Ion Displacement

Yuxin Shi;Junichi Yanagisawa;Tomoya Namiki;Fumiya Kobayashi;Makoto Tadokoro;Yuta Tsuji;Naoki Ogiwara;Benjamin Le Ouay;Masaaki Ohba;Ryo Ohtani
Journal of the American Chemical Society  Published:September 21, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c12413

Abstract

Ferroelectrics exhibit spontaneous polarization and are highly functional materials that are widely used in various devices. However, the design of conventional ferroelectric compounds is largely limited to noncentrosymmetric, polar structures. Herein, we demonstrate that colossal polarization occurs by long-range ion displacement even in the nonpolar proton conductor Na2MnN(CN)4·3.25H2O (1·H2O). This compound crystallized in the nonpolar I2/a space group but exhibited extremely large polarization owing to conducting protons, as confirmed by ferroelectric hysteresis and thermally stimulated depolarization current measurements. A remanent polarization of 438 mC cm–2 was achieved along the [010] direction of single crystals at 298 K under 80% relative humidity at 0.01 Hz. The polarization values are associated with proton conduction, largely depending on the frequency, temperature, and humidity. Single-crystal characterization revealed that polarization emerges in multiple directions and that the polarization magnitude and frequency-response vary depending on the crystallographic axis. These results indicate that the polarization phenomena, driven by long-range ion displacements, are strongly governed by the anisotropic one-dimensional framework of 1·H2O. Moreover, the functionality of this system is underpinned by hydrogen bonds between the inorganic skeleton and water, as confirmed by experiments employing H2O and D2O. This study demonstrates that ionic conductors can exhibit polar functionalities without breaking the inversion symmetry.

0403電子応用
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