酸窒化物単結晶を用い、強誘電性を初めて実証：北海道大学と東京工業大学

北海道大学と東京工業大学の研究グループは、酸窒化物ペロブスカイトBaTaO2N単結晶が強誘電体であることを実証した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

最大3.1μm角のBaTaO₂N単結晶を合成

　北海道大学と東京工業大学の研究グループは2019年12月、酸窒化物ペロブスカイトBaTaO₂N単結晶が強誘電体であることを実証したと発表した。

　今回の研究成果は、北海道大学大学院工学研究院の鱒渕友治准教授や樋口幹雄准教授、吉川信一名誉教授、同総合化学院博士後期課程の細野新氏や同理学研究院の武貞正樹准教授および、東京工業大学科学技術創成研究院フロンティア材料研究所の安井伸太郎助教と伊藤満教授らの研究グループによるものである。

　今回の研究では、細野氏らが発見したBaCN₂を結晶成長のフラックスとして用いた。融点が900℃付近にあり、酸窒化物ペロブスカイトのフラックスとして機能することが分かったためだ。このBaCN₂をBaTaO₂Nと混合し、加熱と徐冷を行うことで、形状が最大3.1μm角のBaTaO₂N単結晶を合成した。

　透過型電子顕微鏡を用い、得られたBaTaO₂N粒子の内部を観察し、ペロブスカイト型構造の単結晶であることを確認したという。この要因はBaCN₂にBaTaO₂Nが溶解し、冷却過程で再結晶をしたためとみている。

　次に、BaTaO₂N単結晶粒子の上下面に電極を設け、圧電応答顕微鏡で電圧を印加した。そうしたところ、印加電圧を100Vにしても電流はリークせず、BaTaO₂Nが極めて高い電気抵抗を有することが分かった。しかも、電圧を変化させると、分極反転を伴う圧電応答が確認されるなど、Polar Nano Regions（PNRs：常誘電領域内部に生じるナノメートルスケールの分極領域）に由来する強誘電体であることが初めて実証されたという。

左図は立方体状のBaTaO₂N結晶の走査型電子顕微鏡像、右図は粒子内部の透過型電子顕微鏡像 出典：北海道大学、東京工業大学

左図はBaTaO₂N単結晶の光学顕微鏡像、中図は強誘電性の圧電応答信号シグナル、右図は強誘電性の変位位相シグナル 出典：北海道大学、東京工業大学

　今回の成果について研究グループは、「複数の陰イオンが共存することによって、無機物にPNRs由来の強誘電性を導入できることを示すことができた」として、新たな強誘電体材料開発につながるとみている。