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圧電体内での分極回転の観察に成功 -巨大圧電メカニズムの解明、非鉛材料の開発に道-

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2012.07.03

要約

東京工業大学の岡研吾特任助教と東正樹教授、大阪府立大学の小山司、尾崎友厚両院生と森茂生教授、京都大学の島川祐一教授の研究グループは、圧電体の中で、電気分極の方向が回転する様子を観察することに成功した。分極の回転は、実用材料であるジルコン酸チタン酸鉛(PZT)の巨大圧電特性の起源と言われながら、これまで実際に観察されたことはなかった。
岡特任助教らは、PZT を模して新しく開発したコバルト酸鉄酸ビスマス圧電体の結晶構造を詳しく調べ、分極方向が温度と組成に応じて回転することを見いだした。圧電材料はセンサーやアクチュエーターとして、様々な電子デバイスで使われている。今回の観察結果は環境に有害な鉛を廃した新圧電材料の開発につながると期待される。

研究の内容,背景,意義,今後の展開等

概要

東京工業大学の岡研吾特任助教と東正樹教授、大阪府立大学の小山司、尾崎友厚両院生と森茂生教授、京都大学の島川祐一教授の研究グループは、圧電体(用語1)の中で、電気分極(用語2)の方向が回転する様子を観察することに成功した。分極の回転は、実用材料であるジルコン酸チタン酸鉛(PZT)の巨大圧電特性の起源と言われながら、これまで実際に観察されたことはなかった。

岡特任助教らは、PZT を模して新しく開発したコバルト酸鉄酸ビスマス圧電体の結晶構造を詳しく調べ、分極方向が温度と組成に応じて回転することを見いだした。圧電材料はセンサーやアクチュエーター(用語3)として、様々な電子デバイスで使われている。今回の観察結果は環境に有害な鉛を廃した新圧電材料の開発につながると期待される。

この成果は、ドイツの科学誌「Angewandte Chemie International Edition(応用化学誌国際版)」のオンライン版で近日中に公開される。

背景

電気と運動を変換する圧電体は、センサーやアクチュエーターとして、超音波診断機やインクジェットプリンター、カメラなど様々な電子機器に使われている。現在の主流はPZTと呼ばれる、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体材料だが、毒性元素である鉛を重量で68%も含むため、代替物質の開発が望まれている。

そのためには、PZTの圧電メカニズムを理解することが大切である。PZT の優れた圧電特性は、正方晶ペロブスカイト(用語4)のチタン酸鉛と菱面体晶ペロブスカイト(用語5)のジルコン酸鉛との相境界に、単斜晶相(用語6)と呼ばれる対称性の低い結晶相が存在し、そこでは電気分極の方向が結晶構造内で変化(回転)できることによると考えられている。しかし、そうした分極回転を実際に観察した研究はなかった。

研究の経緯と研究成果

岡特任助教、東教授らは、結晶構造の類似性から、正方晶ペロブスカイトのコバルト酸ビスマスと菱面体晶ペロブスカイトの鉄酸ビスマスとの固溶体、BiCo1-xFexO3がPZTの代替物質になり得るのではないかと考えて研究を行った。

大阪府大の森教授のグループによる電子線回折(用語7)と、大型放射光施設SPring-8(用語8)のビームラインBL02B2 での放射光X 線回折実験(用語9)を組み合わせた精密構造解析の結果、BiCo0.3Fe0.7O3がPZT で見つかっているのと同様の単斜晶相を持つことを確認した。さらに、コバルトと鉄の割合を変化させても単斜晶相は存在しており、電気分極の方向が結晶構造内の001 方向から111 方向へと連続的に回転していく様子を観測することに成功した。また、単斜晶相を昇温すると正方晶への連続的な変化が起こり、そこでも分極の回転が起こることわかった。

今後の展開

今回の成果は(1)PZT の優れた圧電特性の起源であるとされていた、単斜晶相における電気分極の回転が実際に起こりうることを示した(2)鉛を廃した材料で、PZT と同様の単斜晶相が存在することを示した―の二つの意味を持つ。これにより、ペロブスカイト圧電体の圧電特性向上のためガイドラインが示され、新しい非鉛圧電体の開発につながると期待される。

付記

本研究の一部は、内閣府・最先端・次世代研究開発支援プログラム「ビスマスの特性を活かした環境調和機能性酸化物の開発」(代表・東正樹東京工業大学教授)、文部科学省・科学研究費補助金・特定領域研究「フラストレーションが創る新しい物性」(代表・川村光大阪大学教授)、文部科学省・科学研究費補助金・学術創成研究「物質新機能開発戦略としての精密固体化学」(代表・島川祐一京都大学教授)、特異構造金属・ 無機融合高機能材料開発共同研究プロジェクト(代表・若井史博東京工業大学教授)の援助を受けて行った。

用語説明

  1. (1)
    圧電体
    応力をかけると表面に電荷が現れ、電界を印加すると、変形する物質。電気分極を持っているためにこうした性質が表れる。
  2. (2)
    電気分極
    物質中で陽イオンと負イオンの重心がずれていることから生じる、電荷の偏り。
  3. (3)
    アクチュエーター
    伸縮・屈伸・旋回といった、単純な運動をする駆動装置。
  4. (4)
    正方晶ペロブスカイト
    ペロブスカイトは一般式ABO3で表される元素組成を持つ、金属酸化物の代表的な結晶構造。結晶構造中の原子の繰り返し周期である単位格子が、立方体ではなく、一方向に伸びた直方体である物を正方晶と呼ぶ。
  5. (5)
    菱面体晶ペロブスカイト
    単位格子が立方体ではなく、頂点方向に伸びたペロブスカイト。
  6. (6)
    単斜晶相
    単位格子の持つ3 つの角の内、1つが90°からずれた結晶相。
  7. (7)
    電子線回折
    電子顕微鏡の中で試料に電子線を照射し、回折パターンを調べることで、対称性や格子定数(単位格子の長さ)を決定する。
  8. (8)
    大型放射光施設SPring-8
    兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す施設。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、指向性の高い強力な電磁波のこと。SPring-8 では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。
  9. (9)
    放射光X線回折実験
    物質の構造を調べる方法。放射光X線を試料に照射し、回折強度を調べることで結晶構造(原子の並び方や原子間の距離)を決定する。原子の座標から分極の大きさと方向を計算することができる。

発表論文

Polarization Rotation in the Monoclinic Perovskite BiCo1-xFexO3

Kengo Oka, Tsukasa Koyama, Tomoatsu Ozaaki, Shigeo Mori, Yuichi Shimakawa, Masaki Azuma

Angewandte Chemie International Edition, 51 (2012)

DOI: 10.1002/anie.201202644

問い合わせ先

<本研究全般に関すること>

東京工業大学 応用セラミックス研究所 教授 東 正樹

E-mail: mazuma@msl.titech.ac.jp

TEL: 045-924-5315, 5342

FAX: 045-924-5318

<京都大学問い合わせ先>

京都大学化学研究所 元素科学国際研究センター 教授 島川 祐一

E-mail: shimak@scl.kyoto-u.ac.jp

TEL:0774-38-3110

FAX:0774-38-3118

<大阪府立大学問い合わせ先>

大阪府立大学 工学研究科 教授 森 茂生

E-mail: mori@mtr.osakafu-u.ac.jp

TEL:072-254-9318

FAX:072-254-9318

図1 正方晶(左)、菱面体晶(中)圧電体と、BiCo0.3Fe0.7O3 の単斜晶結晶構造(右)。
正方晶相と菱面体晶相では矢印の電気分極の方向が固定されているのに対し、
単斜晶相では、分極の方向がピンクの面内で回転できる。

図2 BiCo0.3Fe0.7O3の放射光X線回折パターンの温度変化a)と、
その解析によって求められた電気分極の方向b)。温度に応じて回転していることがわかる。

本件に関するお問い合せ先
東 正樹
応用セラミックス研究所 教授
電話: 045-924-5315   FAX: 045-924-5318
E-mail: mazuma@msl.titech.ac.jp

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