新しい強誘電体の開発に向けて～高圧合成とマテリアルズ・インフォマティクスの協同～

芝浦工業大学(東京都江東区／学長 山田純)工学部先進国際課程・山本文子教授らの研究チームは、一般財団法人ファインセラミックスセンター、東北大学、学習院大学、東京大学との共同研究において、多種多様な物性を示すことから「機能の宝庫」と言われるペロブスカイト型化合物に、通常では導入が困難なルビジウムという大きな金属イオンを取り込む方法を開発しました。これにより、理論的には高い性能が予想されているにもかかわらず合成が困難であった、ニオブ酸ルビジウムの逐次相転移を明らかにし、新しい誘電体や圧電体の設計指針を立てることが可能となりました。
今後、高圧合成とマテリアルズ・インフォマティクス＊とを組み合わせることで、さらに新しい物質の提案を精度良く行うことができると期待されます。
※この研究成果は、「Dalton Transactions」誌に掲載されています。


ポイント
・強誘電体チタン酸バリウムと同型のペロブスカイト型ニオブ酸ルビジウムを高圧法により合成
・ペロブスカイト型ニオブ酸ルビジウムが、300-400℃で、高誘電率が見込まれる強い歪み構造であることを解明
・高圧合成とマテリアルズ・インフォマティクスの協同が材料探索に有効であることを提示

画像1: https://www.atpress.ne.jp/releases/393063/LL_img_393063_1.jpg
ペロブスカイト型ニオブ酸ルビジウムの加熱による結晶構造の変化 正方晶2では強い歪みによる高い誘電率が見込まれる

■研究の背景
コンデンサーは、パソコン、スマホなど多くのデバイスに欠くこのとのできない電子部品の一つです。より高い性能を実現すべく、企業を中心に研究開発が進み、国内でも大量に製造されています。現在、実用コンデンサーのほとんどはチタン酸バリウムで、約80年前に発見されて以来、これを凌ぐ物質は得られていません。製造技術や加工技術の改良は、すでに十分に行われており、ブレークスルーには別の新たな物質が必要と言えます。また、チタン酸バリウムは室温付近の特性は良いものの120℃以上で特性が低下するという結晶構造に起因する課題を抱えています。近年新たに開発された理論的、実験的手法を組み合わせることで新物質が合成され、この課題が解決されることが期待されています。


■研究の概要
山本研究室では、従来から、高圧合成法を用いた新物質開発に取り組んできました。この方法の利点は、常圧では存在しない物質を圧力下では安定化させることができる点にあります。物質を高温高圧の状態から急冷することで、高圧相を常圧下にも取り出すことが可能となります。また、通常の合成法では揮発しやすい元素(今回の場合、ルビジウム)を試料セル内に閉じ込めて揮発を抑えることもできます。本研究では、ペロブスカイト型ではない常圧相ニオブ酸ルビジウムを4万気圧、900℃、30分という条件で熱処理することにより、直方晶ペロブスカイト型のニオブ酸ルビジウムを得ました。同型のチタン酸バリウム並びにニオブ酸カリウムは強誘電体ですが、誘電特性と結晶構造が密接に関係していることが知られています。
そこで今回、ペロブスカイト型ニオブ酸ルビジウムの温度変化による構造変化をマイナス268℃からプラス800℃までの広い範囲でX線回折法を用いで調べました。その結果、室温以下では構造変化はないものの[2]、220℃以上で正方晶ペロブスカイトに、300℃以上でより縦に伸びた形の第2正方晶ペロブスカイトに変化し、420℃以上では、ペロブスカイトでない常圧相へと戻りました。この一連の相転移は、第一原理計算から予測された構造安定性でよく説明でき、特に、第2正方晶は、負の圧力(熱膨張に相当)を与えた計算から得られた結晶構造と一致しました。今回得られた高圧相は、ニオブ酸カリウムと同等の強度の第2高調波発生が観察されることから、極性を有する構造であることが確認され比較的高い比誘電率も得られました。
誘電率に関しては、理論計算から予想されるように、今後試料密度を高めることでニオブ酸カリウムと同等あるいは、それ以上の値が得られることが期待されます。今回、5研究機関がそれぞれの強みを生かして共同研究を行ったことにより、材料特性を総合的に評価できたことに大きな価値があります。


■今後の展望
本研究で、高圧法を用いればイオンサイズの大きいルビジウムイオンがペロブスカイト型構造に取り込まれることが確認できました。これを応用するとさらに大きいセシウムイオンの取り込みも可能となります。こうしたアプローチは、理論計算グループとの連携を深めることで効率的に実現でき、強誘電体もみならず、鉛を含まない圧電体の設計や開発にも展開が可能です。また、高圧合成で実現した物質を薄膜で安定化することができれば、その応用範囲は格段に広がります。

＊機械学習や理論計算を用いることで、さまざまな材料開発の効率を高める手法


■論文情報
著者：
山本文子 (芝浦工業大学工学部先進国際課程教授)
村瀬公俊、佐藤健 (芝浦工業大学国際理工学専攻修士2年、同修了生)
杉山和正、川又透 (東北大学金属材料研究所教授、同助教)
稲熊宜之 (学習院大学理学部教授)
山浦淳一 (東京大学物性研究所准教授)
設樂一希、横井里江(一般財団法人ファインセラミックスセンター研究員)
森分博紀 (一般財団法人ファインセラミックスセンター主席研究員)

論文名 ：
Crystal structure and properties of perovskite-type rubidium niobate, a high-pressure phase of RbNbO3
掲載誌 ：Dalton Transactions
ページ番号：Dalton Transactions, 2024, 53, 7044 - 7052
DOI ：10.1039/d4dt00190g
参考文献 ：
[1] J. A.Kafalas, NBS Spec. Pub. No 364, 287 (1972)
[2] M. Fukuda and K. Yamaura , J. Ceram. Soc. Jpn., 131, 126(2023)


■研究助成
本研究の一部は、防衛装備庁が実施する安全保障技術研究推進制度JPJ004596、並びに大倉和親記念財団の研究助成の支援を受けたものです。また、東北大学金属材料研究所GRIMTプログラム(202212-RDKGE-0018)、東京大学物性研究所外来利用プログラム(202306-MCBXG-0079)の一環で研究を実施しました。

＜配信先＞
@Press、宮城県政記者会、東北電力記者クラブ、中部経済産業記者会、経済産業記者会


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