（a）は、試料に電圧を印加したときの電荷量の変化、（b）は、結晶の解析角度の変化を示す。変化は結晶の伸びを反映しており、加える電圧が大きくなると、電荷量と結晶の変化が大きくなっている（提供：物質・材料研究機構）
（独）物質・材料研究機構と東京工業大学、名古屋大学は7月16日、圧電材料「チタン酸ジルコン酸鉛」の基礎特性を世界で初めて測定したと発表した。電気と力の変換の様子を、大型放射光施設「Spring-8」を利用して直接観察した。ガスコンロの着火器やインクジェットプリンターの駆動源として広く使われている圧電体の性能向上や新材料の開発などに役立つと期待される。
■性能向上、新材料開発の加速も
測定に成功したのは、物材機構の坂田修身高輝度放射光ステーション長、東工大の舟窪浩教授、名大の山田智明准教授らの研究グループ。
圧電材料は電圧をかけると変形して力を出し、圧力をかけると電圧を発生する。特にチタン酸ジルコン酸鉛は、60年前にその優れた圧電特性が発見されて以来、現在まで最も広く使われている。ただ、電圧による結晶構造の変化が複雑で、電気エネルギーと力学的エネルギーの変換係数という最も基本的な特性が未解明なままだった。
そこで研究グループはまず、蛍石という特殊な結晶の上にチタン酸ジルコン酸鉛の単結晶薄膜を作製。この薄膜に電極を付けて200ナノ（ナノは10億分の1）秒という極めて短い時間だけ電圧をかけられるようにした。電圧をかけた瞬間に単結晶薄膜がどのように伸びるかを測定するため、大型放射光施設の高輝度X線を利用した。X線を高速で点滅するパルス状にすることで、単結晶薄膜が伸びる動きを、20ナノ秒単位という高い時間分解能で直接観察することに成功した。
その結果、結晶の伸びの量が電気的な分極量の2乗に比例することが分かった。このことから、圧電材料にとって最も基本的な特性である変換係数が初めて明らかになった。
今回の成果について、研究グループは「圧電体の設計が飛躍的に進み、性能向上が期待できる」という。また、環境への負担が懸念される有毒な鉛を含まない新材料開発も加速されるとみている。
