特集　マルチフェロイクス材料の作製と応用

特集にあたって
大阪大学大学院　基礎工学研究科　システム創成専攻電子光科学領域　奥山　雅則

最近,マルチフェロイクス材料が大きな注目を浴びている.マルチフェロイクスというのは,強誘電性,強磁性,強弾性等の効果を複数併せ持つ物質であり,特に強誘電性と強磁性の共存が最も注目されている.強誘電性は正と負の電荷中心のずれによるもので強磁性は電子のスピンによるものであり,一般に互いに相関はないと考えられる.しかし,螺旋構造など特殊な構造においては強誘電性と強磁性の相互作用による相関が期待され,これまでにない機能性デバイスを生み出す基幹材料として期待されている.例えば,磁場印加により分極ヒステリシスが変わったり,逆に電場印加により磁化ヒステリシスが変わったりする電気磁気効果が期待される.これらの現象を用いれば,電場と磁場を組み合わせることにより,これまでの2値ではなく4値を用いる多値論理,磁化と電気分極を組み合わせたメモリや演算素子,電場により磁化を変えてファラデー効果を利用した光アイソレータ,磁界や電界印加により感度制御のできる高ダイナミックレンジセンサ等様々な機能素子の実現が想起される.

これらのマルチフェロイクスは古くからその実現が期待されていたにもかかわらず,顕著な効果を示す物質が見出されなかったため研究は進んでいなかったが,TbMnO3において顕著な電気磁気効果が低温で見いだされ,さらに実用的な室温での巨大な分極を持つ強誘電性と弱い強磁性を示すBiFeO3薄膜が作製されたことから,世界中から大きな注目を集めることとなった.このように世界的に注目を浴びているマルチフェロイクスの研究において,日本における研究への貢献も大きい.

そこで,これまでに提案された多くのマルチフェロイック材料に対し,その強誘電性と強磁性の共存やその相互作用の原理,単結晶や薄膜の作製と強誘電性・強磁性等の物性評価,デバイス応用への期待などについて第一線の研究者による解説をお願いした.本特集により,マルチフェロイクスの現状を理解し今後の研究発展を予見いただき,更なる進展ができければ幸いである.

INTER MATERIAL マルチフェロイクス材料の作製と応用

マルチフェロイクス物質--機能材料への課題
■著者
東京大学工学系研究科,ERATOマルチフェロイクスプロジェクト　小野瀬　佳文　他

■要約
磁性と誘電性が共存したマルチフェロイクス,特にらせん磁性における磁性誘起強誘電性や,その巨大な電気磁気効果を紹介し,機能材料としての可能性や課題を議論する.


鉄酸化物および銅酸化物における磁気秩序誘起の強誘電性
■著者
大阪大学大学院基礎工学研究科　木村　剛

■要約
本稿では,より高温で動作する螺旋磁気秩序誘起型の強誘電体の創製を目指す2つのアプローチを紹介する.


次世代メモリとしてのマルチフェロイック材料
■著者
東京工業大学　大学院総合理工学研究科　教授　石原　宏

■要約
マルチフェロイック材料であるBiFeO3膜を次世代強誘電体メモリに応用する上での特徴と問題点についてまとめている.この材料は,残留分極値が大きいというメモリの高集積化に極めて有利な特徴がある一方で,リーク電流が大きく,抗電界が高いという低電圧動作には不利な点があることを述べている.さらに,化学溶液堆積法を用いた成膜実験より,Mnなどの不純物の添加が,高電界領域におけるリーク電流の低減に有効なことを明らかにしている.


MOCVD法によるBiFeO3基薄膜の合成と評価
■著者
東京工業大学　大学院総合理工学研究科　物質科学創造専攻　舟窪　浩　他

■要約
本稿では有機金属化学気相法法によるBiFeO3および圧電体で注目を集めているBiFeO3-BiCoO3薄膜の作製方法を紹介すると共に,得られた膜について特性発現と深く関わる結晶構造解析結果ならびに特性評価結果をご紹介する.


マルチフェロイクスの構造物性研究
■著者
東北大学 多元物質科学研究所　有馬　孝尚

■要約
ここ数年のマルチフェロイク研究の結果,サイクロイド型らせん磁性体が巨視的な電気分極を誘起することがわかってきた.特に,スピン偏極中性子散乱によるらせん磁性のヘリシティの観測が実験的な決め手を与えた.さらに,磁場中のX線や中性子の回折によって,巨大電気磁気効果をもたらす磁気構造の変化が明らかになってきている.


YMnO3系マルチフェロイック薄膜の物性と応用
■著者
大阪府立大学大学院　工学研究科　吉村　武　他

■要約
スピン秩序と双極子秩序が一つの物質中で共存するマルチフェロイック物質の中でも「幾何学的強誘電体」と呼ばれている,反強磁性強誘電体YMnO3と強磁性強誘電体YbMnO3を例に挙げ,エピタキシャル成長した薄膜の強誘電性,磁性およびそれらの相関現象に関して述べる. また,マルチフェロイック薄膜の応用として期待される,エクスチェンジバイアス効果,トンネル磁気抵抗,電界効果などを概説した後,YMnO3エピタキシャル膜をゲート絶縁膜に用いた強誘電体ゲート電界効果トランジスタ (FET) について述べる.特に,大きなオン電流と長い保持特性が期待でき将来的にはマルチフェロイックトランジスタへの応用が考えられる分極機能型FETの動作原理と最近の実験結果を紹介する.


(1-x)BiFeO3-xBaTiO3の磁気誘電特性と微細構造
■著者
大阪府立大学・大学院工学研究科　森　茂生　他

■要約
(1-x)BiFeO3-xBaTiO3固溶体における磁気・誘電特性および,BaTiO3固溶量の増加に伴う結晶構造の変化や強誘電分域等の微細構造の変化について透過型電子顕微鏡法を用いて調べた結果について報告する.BiFeO3にBaTiO3を固溶させると,反強磁性状態からキャンティング弱強磁性状態へと変化し,(1-x)BiFeO3-xBaTiO3は室温で強磁性秩序と強誘電性秩序が共存するマルチフェロイック物質であることがわかった.また,本物質系は,x =0.33近傍で菱面体構造から立方晶構造へと構造相転移するとともに,x >0.33組成で存在する立方晶構造は,立方晶構造中にナノスケールサイズで強誘電性を有する菱面体構造が存在する2相共存状態として特徴づけられることが明らかとなった.また,BiFeO3の強誘電相では,巨視的な強誘電分域構造が形成されている一方,BaTiO3を固溶することにより,強誘電分域は微細化され,x =0.30試料では,約20〜30nm程度の大きさの強誘電分域が形成されていることを見出した.


連載
第2次世界大戦後の日本のセラミックス科学の発達に友好と親善に尽力した世界の大学教授と科学者(38)イギリス生れの真面目な,苦労して学位を得たDavid A. Payne University of Illinois at Urbana-Chanmpaign教授
■著者
宗宮　重行


連載
プレゼン修行拾遺録 【第2回】バイリンガル・プレゼンテーション
■著者
物質・材料研究機構 光材料センター　轟　眞市