ブックタイトル日本結晶学会誌Vol58No4

概要

日本結晶学会誌Vol58No4

黒岩芳弘，森吉千佳子，藤井一郎，和田智志うに結晶格子そのものが大きく伸びる圧電材料は珍しい．PZTでは観測するのが困難なくらい電場印加下での格子の伸びは小さい．2．高エネルギー単結晶回折による強誘電体BaTiO 3の格子歪みの時分割測定3）チタン酸バリウムBaTiO 3はT C～130℃で相転移するペロブスカイト型強誘電体である．BaTiO 3が常誘電相_（立方晶系，空間群Pm3m）から強誘電相（正方晶系，空間群P4mm）へ相転移すると，c軸方向に自発分極P sが発生すると同時に正方晶歪みが発生する（図1）．室温付近ではc/a＝1.011である．正方晶相で可能な自発分極の方位は6つあり，通常はこれらのいくつかが試料中で混在することにより90°ドメインと180°ドメインが形成されている．ドメイン構造をもつBaTiO 3の結晶軸と平行に直流電場を印加すると，酸素欠損や加工歪みなどの影響がない場合，自発分極の向き（c軸方向）は電場の向きにそろいシングルドメインとなる．さらにc軸方向に直流電場を印加すると，圧電歪みと電歪によりc/aが変化する．図2は自発分極の向きに直流電場を印加した場合のc/aの変化を模式的に描いたものである．試料に±E 0の電場が印加されたときのc/aの大きさは同じである．強誘電体に直流電場を印加したときに生じる電場の向きへの巨視的な歪みの発現には，分極の回転による結晶方位の変化と結晶格子そのものの伸びが寄与する．外部電場が時間変化する場合には，電場に対する試料の歪みの遅れや試料の圧電共振などによる歪みも考慮する必要がある．われわれは，強誘電体試料に電場が印加されたときの結晶構造の変化を明らかにするため，SPring-8の単結晶構造解析ビームラインBL02B1に電場印加時分割単結晶回折実験ができる計測システムを導入した．BL02B1では，半径191.3 mmの大型湾曲イメージングプレート（IP）カメラとCCDカメラが使用可能である．このビームラインの特徴は，高輝度高エネルギーX線と大型湾曲IPカメラとを組み合わせることにより，重原子を含んだ物質でも吸収の効果をほぼ無視できる回折データを計測できること，また，微小結晶であっても統計精度の高いデータを広い逆空間範囲で収集できることである．4）このような利点を活用して，BL02B1では電子密度分布や静電ポテンシャル分布にまで立ち入った精密構造解析が行われている．5）,6）さらに，強誘電体に直流電場を印加したときの歪み発現機構も議論されている．7）,8）このような静的な回折実験を時分割回折実験に発展させるには，1検出速度の速い検出器を用いて回折パターンの時間変化をダイレクトに測定する方法，2周期的な外場を与え各周期の同じ位相（時刻）の現象を記録するポンプ－プローブ法が考えられる．われわれは，大型湾曲IPカメラを活用した精密構造解析を目指し，回折強度の統計精度を高めるため2のポンプ－プローブ法を採用し，BL02B1にX線チョッパーを導入して時分割構造計測システムを整備した．図3にX線チョッパーによる図2正方晶BaTiO 3のc軸方向に直流電場が印加されたときの正方晶歪みc/aの変化．（Change in tetragonalityc/a when an electric field is applied in the c-axis ofBaTiO 3.）図1BaTiO 3の強誘電相転移（TC～400 K）に伴う結晶構造の変化と可能な自発分極のCrystal方位．（structures ofBaTiO 3 in the cubic and tetragonal phases. Six possibleorientations of the spontaneous polarization in thetetragonal phase are also shown.）図3X線チョッパーを用いたポンプ・プローブ型時分割構造計測の概念図．（Pump-probe type time-resolvedmeasurement using X-ray chopper.）168日本結晶学会誌第58巻第4号（2016）