Exploration of hidden ferroelectricity by real-time observation of the electronic states synchronized with the electric field

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全温度にわたって安定な常誘電体であるチタン酸ストロンチウムが、応力歪みや酸素欠損によって強誘電性が現れることがたびたび報告されてきた。近年、室温でも強誘電性が安定に存在するとの報告が相次いでおり、鉛フリー強誘電体としての期待が高まっている。本研究では、この強誘電性が「外部電場に自発分極が応答する直接型強誘電性であるか」を明らかにする。特に、分極の担い手であるチタンと酸素の共有結合の電場と温度に対する安定性に注目する。実験は、半導体Ｘ線検出器の全シグナルを取り込んで測定する「外部電場同期のＸ線吸収分光法（本年３月報道発表）」の性能を向上させて行う。この手法はあらゆる強誘電体の電子状態測定に適用可能である。酸化ハフニウムや強誘電体メモリ材料など、未解決な点が多く残る注目の新規強誘電性（隠れた強誘電性）にも測定の対象を広げ、電子状態からそのエネルギー安定性を解明する。初年度は、導電性基板上に蒸着した厚さ15～25nmのチタン酸ストロンチウム薄膜について外部電場に同期したチタンＫ吸収端スペクトルの測定を行った。これまで研究成果に基づいて、誘電分極の大きさに比例したスペクトル構造（Ti 3d egピーク）の電場応答を確かめたところ、基板の下向きに卓越的に配向した分極の存在が明らかになった。さらに、この分極は膜厚の減少にしたがって減少することも明らかになった。一方で、膜厚が薄い場合は、下向きに配向した分極が外部電場による反転が抑制されることも明らかになった。この結果を踏まえ、温度依存性の測定やＡサイトイオンを置換した測定、酸素イオンの電場応答測定などを実施するための準備に着手している。