強誘電体の傾斜したバンド構造を初めて観測―不揮発性メモリーFeRAMの高速・大容量化などに貢献：岡山大学/高輝度光科学研究センター/産業技術総合研究所
(2020年7月3日発表)
岡山大学と（公財）高輝度光科学研究センター、（国）産業技術総合研究所の共同研究グループは7月3日、強誘電体の傾斜したバンド構造の観測に世界で初めて成功したと発表した。長らく実証されていなかった構造と機能との関係が明らかになったことから電子デバイスの開発が進展し、高速大容量の不揮発性メモリー（FeRAM）や人工シナプス開発の展開が期待されるという。
強誘電体はコンデンサーの材料として用いられている電荷を蓄えることができる物質。自発的に電荷が偏るいわゆる電気分極する性質を持つ。これによって電荷を蓄えるが、それだけでなく、ダイオードのような電気の流れ方をするので電気の流れ方を制御できる。
これらの動作原理は傾斜したバンド構造にあるといわれて久しいが、これまで実証されていなかった。
バンド構造は電子が持つエネルギーの幅のこと。物質中の電子は固有のエネルギーを持ち、電子同士互いに影響を及ぼしあってわずかにエネルギーを変化させている。その幅を持った電子のエネルギー状態をバンド構造と呼んでいる。強誘電体ではこのバンド構造が電気分極の向きに沿って傾斜している。
電荷を蓄えたり、電気の流れ方を制御できるといった強誘電体の特性の起源は、この傾斜したバンド構造にあると考えられ、40年以上前の教科書にも想像図が描かれている。しかし、バンド構造の傾斜を直接捉えた例はなかった。
研究グループは今回、電気分極が単一配向した強誘電体薄膜を精密合成し、大型放射光施設SPring-8の高輝度X線を用いて深さ分解測定を試みた。具体的には、広角対物レンズを取り入れた硬X線角度分解光電子分光実験を行い、電気分極に由来する傾斜したバンド構造の観測に成功した。
強誘電体を使った不揮発性メモリーFeRAMは高速で、電源オフの状態でも情報を保持できる。さらなる高速・大容量化が求められているが、今回のバンド構造の観測・実証により、FeRAMの開発加速が期待されるという。
また、強誘電体の特異な電気の流れ方は脳神経細胞のシナプスの情報伝達と似ていることから人工シナプスへの展開も期待されるとしている。
