強誘電体の物性研究

強誘電体は焦電性圧電性などの多彩な性質を見せますが、その性質は、強誘電体の種類はもちろん、同じ材料であっても不純物の量や温度、圧力、電場などにより大きく変わります。どのようにしてこれらの性質が発現しているのか、温度などの測定条件を変えるとどのように特性が変わるのかを調べています。

材料の性質を調べるには、材料に電気(電場、電圧)を加える、材料を磁場の中に置く、材料に応力を加える、熱を与える、光をあてるなどの「強弱のあるもの」を与えて、その結果、電流(電荷)が流れる、磁石になる(磁化する)、歪む、温度が上がる、光るなどの材料の「多い少ないがある」反応を測定します。例えば、電圧を加えたときに材料に流れる電流を測定してオームの法則を思い出せば材料の電気抵抗を調べたことになります。そして、材料の温度を上げた時に電気抵抗の値が小さくなれば半導体的な性質を、大きくなれば金属的な性質を持っていることが分かり、電気がどのように伝導しているのかを考えることができます。

強誘電体は絶縁体なので電気が流れることをあまり考えませんが、電気を溜める性質(誘電性)を測定します。誘電性は、例えば、材料で平行平板コンデンサを作って、そのコンデンサの静電容量 C を測定して誘電率を算出します。面積が S で厚さが d であれば、誘電率 \epsilon は、

    \[ \epsilon = \epsilon _r \epsilon _0 = \frac{Cd}{S} \qquad \because d < < S \]

で求めることができます。\epsilon_r は比誘電率、\epsilon_0真空の誘電率。書籍によっては比誘電率を誘電率と記すことがあるので注意が必要です。

厚かったり面積が小さい時には電極の縁(ふち、へり)での電場が一様でなくなる(エッジ効果)ために、容量に補正が必要となり、簡単には経験式による補正を行います。有限要素法などにより容量を計算することもあります。

強誘電性の特徴は、材料に自発分極があることとそれを分極反転できることです。このことを確認するには、

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