大型放射光施設 SPring-8

公開日

2025年11月28日

2025年11月28日
東京科学大学
神奈川県立産業技術総合研究所
名古屋工業大学
高輝度光科学研究センター
京都大学
科学技術振興機構(JST)

○ ペロブスカイト型酸化物鉄酸ビスマスのビスマス・鉄の両方を異種元素で置換。
○ 強誘電性と強磁性が共存するため、低消費電力の次世代磁気メモリへの応用に期待。
○ 温めると縮む、負熱膨張も発現。

AIやクラウドの普及による情報処理量の爆発的な増大に伴い、情報機器の電力消費増加が問題になる中で、低消費電力・不揮発性の次世代メモリデバイスへの要求が高まっています。その材料として注目されているのが、磁性（強磁性あるいは反強磁性）と強誘電性を併せ持つマルチフェロイック物質^{（用語5）}です。磁化と強誘電性の相関が十分に強いマルチフェロイック物質を用い、電場によって磁化（N極－S極の向き）方向を反転することができれば、不揮発性・高安定性という現在の磁気メモリの特徴を生かしつつ、低消費電力で駆動する簡易な素子構造を持つ次世代磁気メモリを実現できると期待されます。これまでに東教授らのグループは、反強磁性^{（用語6）}強誘電体の鉄酸ビスマス(BiFeO₃)の鉄を一部コバルト(Co)で置換すると、隣り合うスピン（原子レベルのN極－S極に対応）の向きが反平行からずれることで、電気分極に直交した弱強磁性^{（用語7）}の自発磁化を持つこと、電場によって分極を反転した際に磁化を反転できることを報告し、住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点において、メモリデバイスの開発を進めていました。しかしながら、保磁力^{（用語8）}が低く、磁気情報の安定性に課題がありました。
一方で、光通信や半導体製造など、精密な位置決めや部材の寸法管理が要求される局面では、わずかな熱膨張が大きな問題になります。そこで、温度が上昇すると収縮するという、“負の熱膨張”を持つ物質によって、構造材の熱膨張を補償（キャンセル）することが試みられています。 同研究グループは負熱膨張材料BiNi_1-xFe_xO₃（鉄をニッケル(Ni)で置換したBiFeO₃、BNFOと表記、xは0と0.5の間の任意の数）を開発、日本材料技研株式会社からBNFOの商品名で市販していますが、合成に人造ダイヤモンドと同様の高圧が必要で、価格が高いことが問題でした。

今回の研究では、強誘電性と強磁性を併せ持つとともに、負の熱膨張性も有する材料を開発しました。具体的には、高圧合成の手法を用いてBiFeO₃のAサイトのビスマス(Bi)をカルシウム(Ca)で、Bサイトの鉄をルテニウム(Ru)やイリジウム(Ir)で等量置換すると、弱強磁性の出現を阻んでいたスピンサイクロイド変調構造^{（用語9）}が消失して自発磁化が出現することを、磁化測定とメスバウアー分光^{（用語10）}で明らかにしました（図1）。鉄をコバルトで置換した場合に比べて保磁力は4倍程度に上昇しており、次世代磁気メモリに応用した際にデータの安定性を改善できると期待できます。
また、大型放射光施設SPring-8^{（用語11）}（本研究で使用したBL名：BL02B2、BL13XU）の放射光Ｘ線回折実験^{（用語12）}で結晶構造変化を調べたところ、体積の小さい常誘電相への転移温度がBiFeO₃の1103 K（約830℃、Kは絶対温度の単位であるケルビン）から劇的に低下しており、Bi_0.85Ca_0.15Fe_0.85Ir_0.15O₃では室温近傍で1.77%もの体積負熱膨張を示すことが分かりました。負熱膨張は、卑金属であるジルコニウム(Zr)を用いたBi_0.85Ca_0.15Fe_0.85Zr_0.15O₃でも観測されました（図2）。今回見いだした物質の母物質であるBiFeO₃は常圧下で合成可能なことから、今後の合成法の改善によって、安価で高性能な負熱膨張材料となることが期待されます。

強磁性と強誘電性が共存するマルチフェロイック物質は、次世代メモリデバイス材料として期待されています。また、負熱膨張材料は、半導体などの精密加工現場での位置決めのズレや、異種材料接合界面での剥離といった熱膨張問題の解決につながるため世界的に研究が活発化しており、日本が強みを持つ材料です。
ペロブスカイト酸化物はこれらの他にも超伝導性、巨大磁気抵抗効果、イオン伝導など、多彩な機能を持つため、盛んに研究されています。Aサイト、Bサイトの両方に元素置換を行う今回の物質設計指針は、他の機能性材料の創出にも用いることができると期待されます。

鉄酸ビスマスへのA-Bサイト両置換による保磁力増大という今回の発見はデータ記録の安定性につながるため、今後は半導体製造工程で使用される微細加工技術を駆使した素子作成に取り組み、次世代の低消費電力不揮発性磁気メモリ素子の実現を目指します。また、水熱合成法などの安価な合成法を確立することで、負熱膨張材料としての応用も目指します。

本研究の一部は、JST 戦略的創造研究推進事業 CREST「非晶質前駆体を用いた高機能性ペロブスカイト関連化合物の開発（研究代表者：東正樹 東京科学大学教授、課題番号：JPMJCR22O1）」、地方独立行政法人 神奈川県立産業技術総合研究所 実用化実証事業｢次世代半導体用エコマテリアルグループ（東正樹グループリーダー）｣、日本学術振興会 科学研究費助成事業（課題番号：JP23KJ0919、JP24K17509、JP24H00374）、国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクトなどの支援のもと、住友化学次世代環境デバイス協働研究拠点において実施されました。

東 正樹（アズマ マサキ） Masaki Azuma
東京科学大学 総合研究院
自律システム材料学研究センター／フロンティア材料研究所　教授
研究分野：固体化学

【用語説明】