2020 Fiscal Year Annual Research Report
Science and function exploration of improper ferroelectrics
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19H02433
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
藤田 晃司 京都大学, 工学研究科, 教授 (50314240)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村井 俊介 京都大学, 工学研究科, 助教 (20378805)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 強誘電体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
BaTiO3やPb(Zr,Ti)O3などに代表されるペロブスカイト型酸化物強誘電体・圧電体の設計は2次ヤーン－テラー効果に基づく金属元素－酸素間の共有結合の形成に立脚しており、結晶構造の反転対称性を破るために特定の元素に特有の性質（Ti4+のd0電子配置やPb2+の6s2孤立電子対）を必要する。近年、層状ペロブスカイト酸化物を対象に、酸素八面体回転によって結晶構造の反転対称性を破り、副次的なカチオン変位を誘起して自発分極を生み出す「ハイブリッド間接型」の機構が提唱されている。酸素八面体回転はカチオンの電子配置とは無関係に起こり、ペロブスカイト関連化合物において最もありふれた構造歪みである。このため、ハイブリッド間接型の機構を用いると、新規強誘電体が開拓される可能性がある。
令和2年度は、ペロブスカイト関連層状酸化物に焦点を当て、ハイブリッド間接型強誘電性の発現を目指した。具体的には、ルドルスデンーポッパー型強誘電体の候補物質を対象に、高温固相反応により多結晶バルク試料を合成し、放射光X線回折、光第二高調波発生、および強誘電ヒステリシス測定に基づく包括的な構造解析・物性評価を行った。その結果、室温で強誘電相が安定化される化合物を明らかにすることができた。また、いくつかの組成については、温度可変の放射光X線回折測定と光第二高調波発生を組み合わせて、室温以上で強誘電－常誘電相転移を観測することに成功した。この他にも、磁気秩序と強誘電性が共存する可能性のある新規な系を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和2年度は強誘電体をいくつか見出すことができた。特に、放射光X線回折と光第二高調波発生の組み合わせにより、精密構造の決定に成功している。強誘電性や磁性等の物性評価装置も整備されつつあり、評価手法も向上した。今後、第一原理計算－構造解析－物性評価の有機的な連携により、強誘電相転移機構が解明され、このタイプの強誘電体に特有の物性・機能が見出される可能性は大いにある。
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| Strategy for Future Research Activity |
従来のペロブスカイト酸化物強誘電体では、イオンの変位によって直接的に極性構造が形成され自発分極が発生する。このような、いわゆる直接型（あるいは変位型）強誘電体が、数十年間、強誘電体研究の主流を担ってきた。この流れを大きく変革するため、本研究では、従来の直接型とは異なり、「間接型」の機構に基づいて新奇強誘電体を開拓する。
間接型強誘電体の物質設計では、元素選択の自由度が直接型の場合と比べて遥かに大きく、従来では実現困難であった機能を容易に付与することができる。今後は磁性や可視光応答性の付与による高機能化の実現を目指す。すでに物性開拓の観点で有望な化合物の構造解析と物性評価を開始しており、この方向での研究を推進することにより、高機能な強誘電体が実現する可能性は十分ある。
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