物質創製研究部

結晶材料化学研究部門

Satoshi UDA

教授宇田 聡

  • 准教授 岡田 純平
  • 助教 野澤 純
  • 助教 新家 寛正

界面現象の操作で新しい結晶成長を切り拓く

高度情報化社会を支えているエレクトロニクス、オプトエレクトロニクスの分野でそのキーとなる機能性材料やデバイスの発達は、関連する単結晶の探索に大きく依存してきました。本部門は、結晶成長過程における界面現象と育成された結晶の特性の関係を明らかにするといった立場から、主として融液からの結晶成長に取り組んでいます。特に、電場、磁場、あるいは応力場といった“外場”を界面に印加したり、また、融液に対し熱処理やあるいは攪拌混合などの機械的操作を加え、結晶―融液間の自由エネルギー関係を調整することで、界面ダイナミックスを人為的に操作するといった新しい手法の結晶成長法を目指しています。こうしたアプローチを組み合わせることにより、21世紀高度情報化社会に必要な、光学、圧電、磁性等の分野で有用な新結晶や、従来育成が困難とされていた結晶の創製を可能にしていきます。

結晶成長、化学ポテンシャル、外場印加、溶質分配
コロイド結晶を用いた結晶化のモデル

融液成長において溶質の固液間分配を知ることは高機能結晶を得る上で重要である。ランガサイト型(A3BC3D2O14)の圧電結晶Ca3Ta(Ga1-xAlx)3Si2O14 の成長では、融液中のAlとGaは、Al/Ga比に関わらず、常に平衡分配係数=1をもって結晶中に分配される。これは、融液中に結晶中のCサイトに相応するAl-Gaの複合構造体、’C’ が存在し、’C’ がそのまま結晶に分配されてCサイトになることを示す(Fig. 1(a))。Fig. 1(b)には、Al=Ga=0.5の組成においてCと’C’の化学ポテンシャルが等しいことを示した。

一方、複数の結晶サイトに融液から不純物が分配されることが良く観察される。コングルエントのニオブ酸リチウム(c-LN)にMgを添加した融液からLN結晶を育成すると、Fig. 2に示すように分配係数、kE0のMgO濃度による変化は3.8 mol% MgOで不連続となり、ここでMgの融液からの分配がLiサイトに加え、Nbサイトにも始まることを示す。

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