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強誘導体をナノスケールのスイッチやモーターとして機能させることに成功

科学誌『ACS Nano』誌にライス大学の研究者らによって発表された新たな研究によると、単層強誘電体が電気刺激に反応して曲がることを利用して、ナノスケールのスイッチやモーターとして機能するように制御することに成功したとのことだ。

単層あるいは2次元材料は、一般に原子の単層で構成され、厚さはわずか数ナノメートルである。近年、その電気的、物理的、化学的、光学的特性から、医療や産業技術から家電に至るまで、幅広い用途に利用され、大きな注目を集めている。

「2次元材料は非常に薄く、非常に柔軟です。単層強誘電体では、このことが予期せぬ自発的で活発な曲げ挙動を生み出します。この研究で見出した新規性は、強誘電体の状態と材料の曲げや屈曲との間に関連性やカップリングがあることです。この研究は、一群の二次元材料の基本的な特性の発見または予測と、実用的な応用の角度を組み合わせたものです」と、ライス大学Karl F. Hasselmann教授であり、材料科学とナノエンジニアリングを専門とするBoris Yakobson氏は語る。

この研究では、2次元リン化インジウムを取り上げた。

強誘電体は、電荷によって分離するイオンを持っている。この強誘導体は原子が同一ではない。あるものは大きく、あるものは小さいので、層対称性が崩れている。偏光によって原子やイオンの分布が非対称になり、さらに材料表面が強誘電体の状態で曲げられるのだ。

「強誘電体の状態では、平らなままではなく、曲がるのです。分極を切り替えれば(電圧をかければ切り替えられる)、曲がる方向を制御できる。この制御可能な挙動は、アクチュエーターができたことを意味します」と、Yakobson氏は説明する。

アクチュエーターとは、信号(多くの場合電気信号ですが、別の種類の信号もあります)を機械的な変位、言い換えれば動きや仕事に変換する装置のことだ。

「最も可能性の高い用途は、スイッチの一種でしょう。つまり、非常に小さな局所的な信号で、タービンや電気エンジンのスイッチを入れたり、補償光学望遠鏡のミラーを制御したりすることができるのです。これが、このアクチュエーターの本質なのです」と、Yakobson氏。

この新しい特性や屈曲挙動は、特定の物質について実験室でテストする必要があるとのことで、更なる研究が期待される。


論文

参考文献

研究の要旨

二次元(2D)材料の力学的柔軟性はよく知られているが、最近発見された単層強誘電体、特に通常の面外分極を示すものに予想外の挙動をもたらすことが示された。強誘電性と層の曲げ(歪み勾配)の関連を説明するために、エネルギー表現に「フェロ-フレクソ」結合項を導入し、層の自発的な湾曲とそれが相転移に与える影響を予測・定量化する。InPを化学的に特異な代表例として、第一原理計算を行った結果、強誘電分極(P)と層の曲率(ϰ≡ 1/r)の間に強い結合∼P-ϰがあることが明らかになり、材料の力学と強誘電性の両方に深い影響を与えることが分かった。屈曲緩和により、自発分極と転移障壁が大きく上昇し、キュリー温度、保磁力場、ドメインウォール幅とエネルギーがモンテカルロシミュレーションにより大きく変化する。一方、強誘電体に特徴的な分極の切り替えは、層全体の屈曲を引き起こし、電気信号をアクチュエータとして動作に変換することを可能にする。その可能なワークサイクルと最大動作効率について簡単に説明する。

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