強誘電体

強誘電体とは？

強誘電体（きょうゆうでんたい）は、外部からの電場が無くても電気双極子が自然に整列し、それに応じて双極子の向きが変わる特性を持つ誘電体の一種です。この性質は「強誘電性」と呼ばれ、自発的に整列した状態は「強誘電状態」として知られています。

代表的な物質

強誘電体の代表的な材料には、チタン酸バリウム（BaTiO3）やチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr,Ti)O3）が含まれます。これらの材料は、強誘電体メモリ（FeRAM）のようなデバイスに利用されるほか、全ての強誘電体は圧電効果も持つため、アクチュエータなどとしても幅広く使用されています。

電場に対する応答

強誘電体の表面には、単位体積あたりの電気双極子が存在し、自然に正と負の電荷が分かれた状態を「自発分極」と呼びます。外部電場が加わると、この自発分極の向きが反転します。外部の電場を0にした際の残された分極の値は「残留分極」と言い、分極が逆転する時の電場の強さは「抗電界」と呼ばれます。

十分に強い電場を印加すると、移動可能な電荷が全て表面に移動し、それ以上の電場をかけても分極は一定の上限または下限値に達します。この状態を「飽和した状態」と呼び、この時の分極値が「飽和分極値」です。物質によって異なる特性を示すため、グラフの形状は物質そのものの性質や結晶構造、多結晶か単結晶かによっても変わります。分極壁の移動が電場の変化にどの程度追随できるかによっても傾きが変化します。

強誘電体の分類

強誘電体は、その機構の違いから「変位型」と「秩序-無秩序型」の2種類に分けられます。

変位型

多くの強誘電体は変位型に分類され、例えばチタン酸バリウム（BaTiO3）はその代表です。このタイプの強誘電体は、高温相では自発的に双極子が整列しないものの、キュリー温度（Tc）以下になると結晶が少し縦長になり、正負のイオンの相対的な位置が変わります。その結果、自発分極が発生します。

秩序-無秩序型

一方、秩序-無秩序型の強誘電体では、高温では電気双極子がランダムに配置されており、温度が下がるにつれて整列します。例えば、亜硝酸ナトリウム（NaNO2）がこのタイプの代表的な物質です。低温では双極子が特定の方向に整列し、自発分極を生じますが、高温になると熱エネルギーによって配置がランダムになり、宏観的には分極が0になります。

相転移のメカニズム

強誘電体は、温度が上昇することで相転移を起こし、自発分極が消失して常誘電体になります。これは、自由エネルギーGと分極Pに基づいて理解できます。自由エネルギーは温度によって変化し、特定の温度（特にキュリー温度）以下では分極が存在した方がエネルギー的に安定します。これにより、自発分極が生じ、強誘電体の状態が維持されます。

用途

強誘電体は多くの実用的な応用があります。例えば、圧電素子はガスコンロの点火装置に利用され、強誘電体メモリはデータ保存に活用されています。また、赤外線検出素子やX線発生装置、アクチュエータなどにも使用されており、多岐にわたる技術においてその特性が役立っています。

強誘電体はその特異な性質から、今後も様々な分野での技術革新に寄与することでしょう。

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