概要

无铅铁电材料^※1的技术开发竞争正在激烈进行中，为了获得性能更加优异的材料，相关研究人员正在积极研究新材料。由AIpatent认证专家库成员（欲知详情可联络support@aipatent.com）等人组成的研究小组使用第一原理计算^※²和被称为材料信息学^※³的理论计算进行了全面的材料搜索，发现具有纤锌矿型晶体结构^※4的AgI和CuCl等有望成为全新的实用铁电材料。

迄今为止，关于铁电材料，主要以钙钛矿型晶体结构^※5等由氧八面体构成的物质群为研究对象，但是通过本次研究成果，有望促进不具有氧八面体的简单纤锌矿型晶体结构中的实际铁电体的研究，从而实现高性能无铅压电材料开发的突破。

背景

以锆钛酸铅（PZT）为代表的铁电材料被广泛用作非易失性铁电存储器、移动电话和个人计算机的滤波器和致动器。但是，许多铁电材料都使用铅。近年来，由于环境问题加剧，世界各国都在竞相研发不含铅的无铅铁电材料。

研发成果

为了获得性能更加优异的材料，相关研究人员正在积极研究无铅铁电材料，但是大多数高性能铁电材料都具有由氧八面体组成的钙钛矿晶体结构及其类似结构。

迄今为止，已经通过材料研究对这些材料群进行了详细分析，为了获得新的突破，具有不含氧八面体的晶体结构的铁电材料的开发备受期待。以前，该研究小组着眼于如图1所示的不具有氧八面体结构的简单纤锌矿型晶体结构，通过第一原理计算探讨了其作为铁电材料的可能性，发现ZnO的极化反转壁垒（作为铁电体的必要特性）与典型的铁电体钛酸铅（PbTiO₃）基本相同，并在原子水平上阐明了开发不具有氧八面体的简单纤锌矿型晶体结构等铁电材料的可能性。但是，由于ZnO具有非常大的矫顽场^※6，因此有必要寻找一种矫顽场较低的材料作为实用材料。

图1 纤锌矿型ZnO的原子结构及其极化反转机理

形成金属离子被四个氧离子包围的四面体结构。每个离子通过外部电场相对位移，从而产生极化反转。

此次，该研究小组使用第一原理计算和被称为材料信息学的理论计算方法，对具有纤锌矿型晶体结构的新材料进行了全面搜索。结果如图2所示，关于具有低极化反转壁垒和极低矫顽场的新材料，找到了AgI、CuCl、CuBr等材料。目前，本研究小组正在积极通过材料合成进行实证实验。

图2 通过材料信息学搜索纤锌矿型晶体结构铁电材料的结果

图中，被矩形包围的材料是已经报道的纤锌矿型晶体结构的材料。在AgI和CuCl中，可以实现具有极低矫顽场的铁电体。

本成果有望促进该领域的研究，并进一步加速高性能无铅铁电材料的开发。

未来展望

该研究小组计划对本次发现的候补材料进行合成实验，并进行实证实验。通过本次研究成果，有望促进不具有氧八面体的简单纤锌矿型晶体结构中的实际铁电体的研究，从而实现高性能无铅压电材料开发的突破。

术语解释

※1 无铅铁电材料

不使用有害物质铅的铁电材料。世界各国正在竞相开发。

※2第一原理计算

不使用实验结果，仅基于量子力学（第一原理）进行的电子状态计算。根据求解薛定谔方程的方法可得到各种方法。本研究采用第一原理PAW（projector augmented wave）法。

※3 材料信息学

将高速计算机的信息处理能力应用于材料研究（非常规实验主体的材料研究）的学术领域。将材料的结构和特性等各种信息作为数据库进行汇总，并进行材料搜索。本研究通过第一原理计算，对材料特性进行了全面计算，并进行了材料搜索。

※4 纤锌矿型晶体结构

是二元化合物中典型的晶体结构之一，属于六方晶系中的空间群P6₃mc。结构为两个构成原子都被其他原子包围而形成正四面体。

※5 钙钛矿型晶体结构

代表性铁电体BaTiO₃（钛酸钡）和钛酸铅（PbTiO₃）的晶体结构。由3元体系RMO₃构成的过渡金属氧化物等具有该晶体结构。许多铁电体具有这种结构。

※6 矫顽场

使铁电材料产生极化反转所需的电场。如果矫顽场过大，则为了产生极化反转，必须施加非常大的电场，这会导致实用化方面的问题。

发现新型纤锌矿型晶体结构铁电材料！无铅压电材料开发的新突破