分子性誘電体物質の新奇強電場相と新機能の創発

点击翻译按钮获取中文摘要

結晶構造データベース解析を併用した誘電体探索により、幾何学上２種類の分極反転機構が可能な、特異な水素結合型材料2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHBA) を見出した。頭尾結合状に配置した水酸基の一次元鎖は極性をもち、その反転にはプロトン移動と水酸基のフリップフロップの二通りの経路が想定された。密度汎関数理論(DFT)計算におけるBerry位相から得た自発分極は、その向きと大きさが両者で全く異なることが示された。分極ヒステリシス、熱物性、回折実験、光二次高調波測定などにより、分極状態や相転移に関する実評価を行った。その結果、自発分極値の大きさの理論値との整合性、同位体効果の弱さ、水素結合長に対する抗電場の小ささ、いずれにおいても、フリップフロップの機構で説明できた。一連のフェニルテトラゾール類やイミダゾール類について単結晶構造解析、分極ヒステリシス測定、密度汎関数理論(DFT)計算を行った結果、極性(FE)や反極性(AFE)の基底状態がほぼ縮退(競合）状態を伴っている場合、常に無秩序な水素結合が生じることが明らかになった。また、水素の乱れとして、2つの異なる起源（FE状態とAFE状態が競合するケースと複数の異なるAFE秩序状態が競合するケース）を見出した。前者の場合、強誘電体特有のシングルP-Eループと反強誘電体特有の二重P-Eループのハイブリッド状の分極履歴が得られた。一方、複数のAFE秩序状態が競合し合う場合には、反強的な長距離秩序を失っているにもかかわらず、反強誘電体と変わらぬ二重ループ型の分極履歴特性が得られ、良好なエネルギー貯蔵機能が得られた。ただし、FE状態に比べAFE状態のエネルギー準位の安定化が著しい場合には、水素位置の乱れの有無にかかわらず電場誘起相転移が困難となることも明らかとなった。