室温で強誘電性を生み出す鉄セラミック材料を発見：高速かつ低消費での動作が可能に

東京工業大学と岡山大学および、量子科学技術研究開発機構らの研究グループは、イッテルビウムと鉄を含むセラミックス材料が、鉄イオン中の電子秩序により、室温で強誘電性を生み出すことを発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

電子部品の性能を従来の100倍以上に

　東京工業大学理学院化学系の沖本洋一准教授と岡山大学大学院自然科学研究科の池田直教授および、量子科学技術研究開発機構の藤原孝将研究員らによる研究グループは2021年2月、イッテルビウムと鉄を含むセラミックス材料（YbFe₂O₄）が、鉄イオン中の電子秩序により、室温で強誘電性を生み出すことを発見したと発表した。

　YbFe₂O₄は、鉄−酸素二重層内の「異なる価数の鉄イオン（Fe²⁺とFe³⁺）の秩序と偏り」によって、強誘電分極を示す可能性があると提唱されてきた。しかし、それを実証する報告はこれまでなかったという。

YbFe₂O₄の結晶構造 出典：東京工業大学

　研究グループは、YbFe₂O₄結晶が第二次高調波発生（SHG）の現象を示し、これが分極（電荷の偏りを持つ構造）を持つ結晶であることを明らかにした。YbFe₂O₄でa軸方向に観測されるSHG強度の入射偏光角度依存性を調べることで、YbFe₂O₄が持っている電気分極の方向を定めることに成功した。

YbFe₂O₄でa軸方向に観測されるSHG強度の入射偏光角度依存性 出典：東京工業大学

　また、SHG強度と中性子散乱からみた超格子反射強度の温度依存性を比較した。この結果から、YbFe₂O₄の分極状態が、「Fe²⁺とFe³⁺の秩序の相関距離」に伴って変化することを発見。この系が電子の秩序によって強誘電性を示す証拠だという。

　研究グループはこれらの実験結果により、鉄−酸素二重層Fe²⁺とFe³⁺の存在数が不均化となることで、黄色矢印の方向に分極が発生することや、二重層間の電子移動で分極の方向がスイッチできることを確認した。

YbFe₂O₄の鉄-酸素二重層における鉄イオンの価数移動と分極変化の様子 出典：東京工業大学

　電子移動を起源とする強誘電体は、従来型の強誘電体に比べ、高速かつ低エネルギーでの動作が可能となる。これにより、現行部品に比べ100倍以上も高性能な電子部品を実現できる可能性があるという。