“ナノドメイン”構造を有する圧電体薄膜の超高速応答を実証

高輝度光科学研究センター (JASRI) 、東京工業大学、物質・材料研究機構 (NIMS) 及び京都大学は、動作の切り替え (スイッチング) の更なる高速化を可能にすると期待されている、“ナノドメイン”と呼ばれる微小領域を有する新しい圧電体薄膜が200ナノ秒(1千万分の2秒)という超高速でスイッチング可能であることを世界で初めて確認しました。

圧電体薄膜は、電気信号により構造が変化する性質を活かして、インクジェットプリンタで使用されるマイクロデバイス (Micro Electro Mechanical Systems、MEMS) 等の動力源として利用されています。現在の圧電体薄膜では、スイッチング時間を十分制御できていません。高速のスイッチングが実現できれば産業応用への広がりやより高性能な製品の開発を期待できます。

そこで、本研究グループでは、大型放射光施設SPring-8の高輝度放射光を用いて圧電体の一種である強誘電体薄膜に高速に電場をかけることで引き起こされるナノドメインの構造変化を調べました。その結果、ナノドメインの結晶の向きが1千万分の2秒(200 ナノ秒)という高速で変化していることを世界で初めて確認することに成功しました。

圧電体薄膜を1千万分の2秒というナノ秒オーダーで制御できる可能性を示した今回の成果は、圧電体薄膜を用いたMEMSの高速化を通じて高性能製品の開発に大きく貢献するものです。例えば、インクジェットプリンタでは、インクの塗布を制御するMEMSの処理速度が速くなれば、従来よりも少ないインク量で微細な印刷が可能になりますし、自動車用エンジンでは、燃料の使用効率を制御するセラミックス部品にナノドメイン構造を適用することで、燃費向上や排ガス抑制に貢献することが期待できます。

今回の成果は、JASRIの坂田 修身 客員研究員 (兼務 : NIMS 中核機能部門 高輝度放射光ステーション長) 、東京工業大学大学院 総合理工学研究科 舟窪 浩 准教授、山田 智明 特任助教 (現 名古屋大学大学院 工学研究科 准教授、科学技術振興機構 さきがけ研究者) 、京都大学 化学研究所 菅大介 助教らの研究グループによるもので、応用物理の分野において影響の大きい科学学術誌「Applied Physics Letters」のオンライン版に11月4日付で掲載されました。また、今回新たにVirtual Journal of Nanoscale Science & Technologyに注目論文として選ばれました。