大型放射光施設 SPring-8

公開日

2012年07月03日

2012年7月3日
東京工業大学
京都大学
大阪府立大学

背景
　電気と運動を変換する圧電体は、センサーやアクチュエーターとして、超音波診断機やインクジェットプリンター、カメラなど様々な電子機器に使われている。現在の主流はPZTと呼ばれる、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体材料だが、毒性元素である鉛を重量で68%も含むため、代替物質の開発が望まれている。
　そのためには、PZTの圧電メカニズムを理解することが大切である。PZTの優れた圧電特性は、正方晶ペロブスカイト^{（用語4）}のチタン酸鉛と菱面体晶ペロブスカイト^{（用語5）}のジルコン酸鉛との相境界に、単斜晶相^{（用語6）}と呼ばれる対称性の低い結晶相が存在し、そこでは電気分極の方向が結晶構造内で変化（回転）できることによると考えられている。しかし、そうした分極回転を実際に観察した研究はなかった。

研究の経緯と研究成果
　岡特任助教、東教授らは、結晶構造の類似性から、正方晶ペロブスカイトのコバルト酸ビスマスと菱面体晶ペロブスカイトの鉄酸ビスマスとの固溶体、BiCo_1-xFe_xO₃がPZTの代替物質になり得るのではないかと考えて研究を行った。
　大阪府大の森教授のグループによる電子線回折^{（用語7）}と、大型放射光施設SPring-8^{（用語8）}のビームラインBL02B2での放射光X線回折実験^{（用語9）}を組み合わせた精密構造解析の結果、BiCoz_0.3Fe_0.7O₃がPZTで見つかっているのと同様の単斜晶相を持つことを確認した。さらに、コバルトと鉄の割合を変化させても単斜晶相は存在しており、電気分極の方向が結晶構造内の001方向から111方向へと連続的に回転していく様子を観測することに成功した。また、単斜晶相を昇温すると正方晶への連続的な変化が起こり、そこでも分極の回転が起こることわかった。

今後の展開
　今回の成果は(1)PZTの優れた圧電特性の起源であるとされていた、単斜晶相における電気分極の回転が実際に起こりうることを示した(2)鉛を廃した材料で、PZTと同様の単斜晶相が存在することを示した―の二つの意味を持つ。これにより、ペロブスカイト圧電体の圧電特性向上のためガイドラインが示され、新しい非鉛圧電体の開発につながると期待される。

付記
　本研究の一部は、内閣府・最先端・次世代研究開発支援プログラム｢ビスマスの特性を活かした環境調和機能性酸化物の開発｣（代表・東正樹東京工業大学教授）、文部科学省・科学研究費補助金・特定領域研究｢フラストレーションが創る新しい物性｣（代表・川村光大阪大学教授）、文部科学省・科学研究費補助金・学術創成研究「物質新機能開発戦略としての精密固体化学」（代表・島川祐一京都大学教授）、特異構造金属・ 無機融合高機能材料開発共同研究プロジェクト（代表・若井史博東京工業大学教授）の援助を受けて行った。

《参考資料》

《用語解説》
＊1　圧電体
応力をかけると表面に電荷が現れ、電界を印加すると、変形する物質。電気分極を持っているためにこうした性質が表れる。

＊2　電気分極
物質中で陽イオンと負イオンの重心がずれていることから生じる、電荷の偏り。

＊3　アクチュエーター
伸縮・屈伸・旋回といった、単純な運動をする駆動装置。

＊4　正方晶ペロブスカイト
ペロブスカイトは一般式ABO₃で表される元素組成を持つ、金属酸化物の代表的な結晶構造。結晶構造中の原子の繰り返し周期である単位格子が、立方体ではなく、一方向に伸びた直方体である物を正方晶と呼ぶ。

＊5　菱面体晶ペロブスカイト
単位格子が立方体ではなく、頂点方向に伸びたペロブスカイト。

＊6　単斜晶相
単位格子の持つ3つの角の内、1つが90°からずれた結晶相。

＊7　電子線回折
電子顕微鏡の中で試料に電子線を照射し、回折パターンを調べることで、対称性や格子定数（単位格子の長さ）を決定する。

＊8　大型放射光施設SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す施設。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、指向性の高い強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

＊9　放射光Ｘ線回折実験
物質の構造を調べる方法。放射光Ｘ線を試料に照射し、回折強度を調べることで結晶構造（原子の並び方や原子間の距離）を決定する。原子の座標から分極の大きさと方向を計算することができる。