ファインセラミックスセンター(JFCC)の研究成果 詳細はHPを参照下さい。http://www.jfcc.or.jp/

1. 平成 28 年 9 月 15 日
「酸化亜鉛薄膜における強誘電性の発現を理論計算より予測」
～ 有害な鉛を使わない強誘電体材料の開発に新たな道 ～
一般財団法人 ファインセラミックスセンター
I【概要】
① 現状
強誘電体材料はインクジェットプリンター、携帯電話、テレビ、カメラなどあらゆる機
器に使われており、私たちの便利な生活を支える重要な材料のひとつです。しかしながら、
現在使われている多くの強誘電体には鉛等の有害元素や希少元素が含まれていることが問
題となっています。このため、毒性がなく豊富で安価な元素を用いた強誘電体材料の開発
が求められています。
② 本研究の成果
この度、ファインセラミックスセンターでは、最新の理論計算により酸化亜鉛のように単
純な結晶構造が強誘電体となる可能性があることを明らかにしました。また、酸化亜鉛を
薄膜にすることによって、強誘電性がより現れやすくなるであろうことも示しました。（詳
細は次ページ以降で説明します。）
図 1. 今回予測された酸化亜鉛の強誘電性のメカニズム
外から電場を与えると、電荷の偏りが電場と同じ方向になるように亜鉛（Zn）が動く。
③ 今後の展開
本成果の理論計算を基にし、酸化亜鉛の強誘電性の実証に向けて研究を進めていきます。
酸化亜鉛のように非鉛で安価な材料が強誘電体となれば、環境に優しい強誘電材料開発に
大きく貢献でき、強誘電体材料の開発に新たな道を与えると期待されています。
本研究の一部は、JSPS 科研費新学術領域研究「ナノ構造情報」(課題番号 25106008)，JSPS 科研費「基盤
研究 A」(課題番号 23246113)、および科学技術振興機構 (JST) のイノベーションハブ構築支援事業の「情報
統合型物質・材料開発イニシアティブ (MI2
I)」、の一環として実施した結果から得られた成果です。
本成果は 2016 年 9 月 7 日に米国物理学協会誌「Applied Physics Letters」電子版に掲載されました。
[-]に分極
[+]に分極 [-]に分極
Zn
O
[+]に分極

2. II【本研究の詳細】
① 現状と課題
強誘電体材料（注 1）はインクジェットプリンターヘッドやスピーカーなど様々な電子機
器にアクチュエーター（注 2）として使用されています。また、強誘電体メモリ(FeRAM) （注
3）は大容量高速読み書き可能な次世代メモリとして注目されています。このように私たち
の生活に欠かすことの出来ない強誘電材料ですが、その多くには有害な鉛や希少元素が使
用されているため、環境に優しく安価な強誘電材料の開発が現在盛んに行われています。
また、強誘電体の多くは図 2(a)のような酸素八面体構造であり、新しい構造による強誘電
体が発見されれば、強誘電材料開発を大きく進展させることになると期待されています。
② 研究手法
今回、我々は四面体構造からなる酸化亜鉛[図 2(b)]に注目しました。強誘電体の特徴
に、外からの電場の向きを変えると物質の電荷の偏りのプラス、マイナスが反転すること
（分極反転）があり、この分極反転のしやすさが強誘電体の性能を決定する要因のひとつ
です。そこで、どのくらいの電場をかけたときに酸化亜鉛にどのような変化が起こるのか
を、最新の第一原理計算手法（注 4）を用いて解析しました。
③ 研究成果
本研究により、酸化亜鉛の電荷の偏り（分極）の方向が外から与えられた電場によって、
電場と同じ方向になるように亜鉛が動き分極反転するメカニズムが示唆されました。図 1
に今回予測された酸化亜鉛の強誘電性発現のメカニズムを示します。今回用いた計算手法
により、この分極反転のしやすさを知ることが出来ます。計算の結果、酸化亜鉛の分極反
転のしやすさは強誘電体として知られているチタン酸鉛[図 2(a)]と近い水準であったため、
四面体構造から出来ている酸化亜鉛が強誘電体となる可能性があることがわかりました。
さらに、酸化亜鉛の格子定数（注 5）を制御にすることによって、強誘電性が現れやすくな
ることが明らかになりました。一方で、今回の計算結果は酸化亜鉛は電場の影響により結
晶構造が大きく歪むことを示しています。これは、分極反転の途中で結晶にひびが入って
しまう可能性が高いことを意味しています。本成果を受けて、酸化亜鉛の強誘電性を実験
的に確認するためには、ひびを抑制するため体積変化の影響が小さく、格子定数を制御し
やすい薄膜化が有効な手法のひとつとして考えられます。
④ 今後の展開
本成果を基にし、酸化亜鉛の強誘電性の実験的な確認に向けて研究を進めていきます。
酸化亜鉛のように非鉛で安価な材料が強誘電体として実証されれば、環境に優しい強誘電
材料開発に大きく貢献できると期待されています。今回の知見は、強誘電体材料の開発に
新たな設計指針を与えることができ、さらに色々な構造の解析を計算から進めることによ
り、材料開発に飛躍的な進歩が起こることが期待できます。

3. 図 2.
(a) チタン酸鉛（PbTiO3）[酸素八面体構造] (b) 酸化亜鉛（ZnO）[酸素四面体構造]
[用語説明]
（注 1）強誘電体: 電界をゼロにしても分極（物質にプラスとマイナスの電荷の偏りが現
れる現象）が保たれる特性を持ち、かつ分極反転する物質。
（注 2）アクチュエーター: 外界から得たエネルギー（電力・磁力・圧力・温度など）を、
伸縮・屈曲・回転などの運動に変換する装置や物質のこと。強誘電体は圧力を加えると電
気エネルギーを発生し、逆に電気エネルギーを加えると伸縮する特性を持っており、その
特性を利用し、アクチュエーターとしてスピーカーなどに使用されている。
（注 3）強誘電体メモリ: 強誘電体の特性である電界がゼロのときに持つ分極の偏りのプ
ラス・マイナスをデータの 1 と 0 に対応させた不揮発性メモリ。
（注 4）第一原理計算: 物質中の原子の配置情報のみを与えることで量子力学の原理に基
づき経験的なパラメーターを用いること無く電子状態、化学結合、エネルギー状態を計算
する手法。第一原理計算を用い、ある条件下において材料がどのような状態に変化するの
かというシミュレーションが可能である。
（注 5）格子定数: 結晶格子の大きさを表すための単位。各辺の長さ a, b, c と、角度α, β,
γの 6 個の定数を用いる。
＜本研究に関する問い合わせ＞
(一財)ファインセラミックスセンター
ナノ構造研究所 計算材料グループ 小西 綾子
Tel ：052-871-3500、Fax：052-871-3599
E-mail：a_konishi at jfcc.or.jp
O
Zn
O
Pb
Ti