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<< 戻る 2016年9月15日


酸化亜鉛薄膜における強誘電性の発現を理論計算より予測 〜有害な鉛を使わない強誘電体材料の開発に新たな道〜

本研究の【概要詳細

1.現状と課題
 強誘電体材料(注1)はインクジェットプリンターヘッドやスピーカーなど様々な電子機器にアクチュエーター(注2)として使用されています。また、強誘電体メモリ(FeRAM) (注3)は大容量高速読み書き可能な次世代メモリとして注目されています。このように私たちの生活に欠かすことの出来ない強誘電材料ですが、その多くには有害な鉛や希少元素が使用されているため、環境に優しく安価な強誘電材料の開発が現在盛んに行われています。また、強誘電体の多くは図2(a)のような酸素八面体構造であり、新しい構造による強誘電体が発見されれば、強誘電材料開発を大きく進展させることになると期待されています。


2.研究手法
 今回、我々は四面体構造からなる酸化亜鉛[図2(b)]に注目しました。強誘電体の特徴に、外からの電場の向きを変えると物質の電荷の偏りのプラス、マイナスが反転すること(分極反転)があり、この分極反転のしやすさが強誘電体の性能を決定する要因のひとつです。そこで、どのくらいの電場をかけたときに酸化亜鉛にどのような変化が起こるのかを、最新の第一原理計算手法(注4)を用いて解析しました。


3.研究成果
 本研究により、酸化亜鉛の電荷の偏り(分極)の方向が外から与えられた電場によって、電場と同じ方向になるように亜鉛が動き分極反転するメカニズムが示唆されました。図1に今回予測された酸化亜鉛の強誘電性発現のメカニズムを示します。今回用いた計算手法により、この分極反転のしやすさを知ることが出来ます。計算の結果、酸化亜鉛の分極反転のしやすさは強誘電体として知られているチタン酸鉛[図2(a)]と近い水準であったため、四面体構造から出来ている酸化亜鉛が強誘電体となる可能性があることがわかりました。さらに、酸化亜鉛の格子定数(注5)を制御にすることによって、強誘電性が現れやすくなることが明らかになりました。一方で、今回の計算結果は酸化亜鉛は電場の影響により結晶構造が大きく歪むことを示しています。これは、分極反転の途中で結晶にひびが入ってしまう可能性が高いことを意味しています。本成果を受けて、酸化亜鉛の強誘電性を実験的に確認するためには、ひびを抑制するため体積変化の影響が小さく、格子定数を制御しやすい薄膜化が有効な手法のひとつとして考えられます。


4.今後の展開
 本成果を基にし、酸化亜鉛の強誘電性の実験的な確認に向けて研究を進めていきます。酸化亜鉛のように非鉛で安価な材料が強誘電体として実証されれば、環境に優しい強誘電材料開発に大きく貢献できると期待されています。今回の知見は、強誘電体材料の開発に新たな設計指針を与えることができ、さらに色々な構造の解析を計算から進めることにより、材料開発に飛躍的な進歩が起こることが期待できます。

図2. (a) チタン酸鉛(PbTiO3)[酸素八面体構造] (b) 酸化亜鉛(ZnO)[酸素四面体構造]


【用語説明】
(注1) 強誘電体
  電界をゼロにしても分極(物質にプラスとマイナスの電荷の偏りが現れる現象)が保たれる特性を持ち、かつ分極反転する物質。
(注2) アクチュエーター
  外界から得たエネルギー(電力・磁力・圧力・温度など)を、伸縮・屈曲・回転などの運動に変換する装置や物質のこと。強誘電体は圧力を加えると電気エネルギーを発生し、逆に電気エネルギーを加えると伸縮する特性を持っており、その特性を利用し、アクチュエーターとしてスピーカーなどに使用されている。
(注3) 強誘電体メモリ
  強誘電体の特性である電界がゼロのときに持つ分極の偏りのプラス・マイナスをデータの1と0に対応させた不揮発性メモリ。
(注4) 第一原理計算
  物質中の原子の配置情報のみを与えることで量子力学の原理に基づき経験的なパラメーターを用いること無く電子状態、化学結合、エネルギー状態を計算する手法。第一原理計算を用い、ある条件下において材料がどのような状態に変化するのかというシミュレーションが可能である。
(注5) 格子定数
  結晶格子の大きさを表すための単位。各辺の長さa, b, cと、角度α, β, γの6個の定数を用いる。


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