電子誘電体が圧電性と強誘電性を示すことを実証 ―圧電性と強誘電性を導く新たな機構の提案―

京都大学大学院工学研究科 小西伸弥 研修員、田中勝久 教授、名古屋工業大学大学院工学研究科 漆原大典 助教、浅香透 准教授、オックスフォード・インストゥルメンツ株式会社 石井孝治 博士らの研究チームは、東京工業大学、九州大学との共同で、電子誘電体とよばれる酸化物の一種であるTmFe₂O₄という物質を対象に、物性測定、構造解析、理論計算の結果に基づいて、この物質が室温で圧電体かつ強誘電体となることを実証するとともに、このような誘電性が生じる機構を原子レベルで明らかにしました。

組成式がRFe₂O₄（Rは希土類元素あるいは13族元素のIn（インジウム））の酸化物は鉄イオンの電荷の分布が誘電性を支配すると考えられることから電子誘電体とよばれ、特にRがLu（ルテチウム）の化合物が強誘電体であるとの報告が2005年になされました。その後、他の研究グループから、実験と理論計算に基づいて、この化合物の強誘電性を否定する論文が出されました。それ以来、この化合物の本質的な誘電性についての議論が続きましたが、結論は得られていませんでした。

今回、本研究グループは、類似の化合物であるTmFe₂O₄の単結晶を合成し、X線による単結晶の構造解析や圧電応答顕微鏡による測定などに基づき、この化合物が室温で圧電性と強誘電性を示すことを実証しました。さらに、その起源が鉄イオンにおける電子の局在化とツリウム（Tm）イオンの変位であることを突き止めました。これにより、RFe₂O₄の誘電性に関する上記の論争に、部分的ではありますが、一応の決着をつけることができました。今後は、同様の機構で強誘電体・圧電体となる新物質の開拓や、こうした物質のスイッチやメモリーなど実用機器への応用が期待されます。

本研究成果は、2023年7月12日（米国東部標準時）に米国物理学会の国際学術誌「Physical Review B」にオンライン掲載されました。

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電子誘電体が圧電性と強誘電性を示すことを実証 ―圧電性と強誘電性を導く新たな機構の提案―

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• 田中　勝久　京都大学教育研究活動データベース

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