広島大ら、非鉛系圧電セラミックス材料を合成：優れた強誘電性と圧電性を実現

広島大学と九州大学、山梨大学の共同研究グループは、優れた強誘電性と圧電性が得られる非鉛系圧電セラミックス材料の合成に成功した。圧電性は従来のPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）に匹敵するという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

鉛を含まない、環境に優しい圧電材料として期待

　広島大学と九州大学、山梨大学の共同研究グループは2023年2月、優れた強誘電性と圧電性が得られる非鉛系圧電セラミックス材料の合成に成功したと発表した。圧電性は従来のPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）に匹敵するという。

　圧電素子はアクチュエーターやセンサーなどとして、スマートフォンや自動車に搭載されている。ただ、これらのほとんどは有害な鉛を含んでいる。このため環境に優しい圧電材料の開発が求められているという。

BT-BFセラミックスの分極（上）とひずみ曲線（下）出所：広島大学他

　研究グループは次世代の非鉛系圧電材料候補として、ビスマス（Bi）イオンを含むBF-BT（ビスマスフェライト−チタン酸バリウム）セラミックスを提案してきた。ただ、圧電性の発現機構に対する明確な物理的理解が、これまで十分ではなかったという。そこで研究グループは、SPring-8を用いた放射光X線回折実験（SR-XRD）と高分解能透過型電子顕微鏡（TEM）による観察によって、優れた圧電特性が得られるメカニズムを解明することにした。

　実験に用いたBF-BTセラミックスは、BFとBTの粉末状原材料を混合して成形し、高温で焼成をした。作製したBF-BTセラミックスの特性を評価したところ、強誘電体に特徴的な分極とひずみ曲線が得られた。自発分極は、BTを上回る大きさとなり、PZTに迫る圧電性を有することが分かった。

　九州大学の超顕微解析研究センターで高分解能透過型電子顕微鏡を用いBF-BTセラミックを観察した。その結果、ナノメートルサイズのドメインが存在することを発見した。放射光X線回折実験を行い、ナノドメインの起源を解明した。ペロブスカイト型構造の単位格子のコーナー位置「Aサイト」を占めるバリウム（Ba）イオンとBiイオンのうち、Biイオンだけが結晶軸方向にずれて配置する。これにより、Aサイトに局部的な分極構造が形成され、ナノドメインの起源になることが分かった。

　さらに、電場下でSRXRD実験を行い、圧電効果における「本質的な寄与」と「非本質的な寄与」を見積もった。この結果、「0.70BF-0.30BT」や「0.60BF-0.40BT」では、通常の強誘電ドメインに由来する効果がないという。圧電性能は0.70BF-0.30BTセラミックスが最も高い値を示した。しかし、本質的な圧電効果の寄与を大きくすることが難しく、「Biイオンのオフセンタリングによって形成されたナノドメインによる圧電性への寄与を大きくすることで、圧電性は格段に向上する」とみている。

　これらの結果により、「構造乱れを有するナノドメインを結晶に導入し、電場下でその乱れをそろえて分極方向を電場方向にそろえれば、鉛を含まなくても優れた高性能圧電材料を開発できる」ことを確認した。

セラミックスにおけるナノドメイン形成 出所：広島大学他

電場下圧電応答の本質的/非本質的寄与の割合 出所：広島大学他

　今回の研究成果は、広島大学大学院先進理工系科学研究科のキム・サンウク助教、黒岩芳弘教授、九州大学大学院工学研究院の大学院生宮内隆輝氏（研究当時）、佐藤幸生准教授、山梨大学大学院総合研究部の研究員ナム・ヒョンウク博士、藤井一郎准教授、上野慎太郎准教授、和田智志教授からなる共同研究グループによるものである。