マテリアルズインフォマティクスにより巨大誘電率材料の合成に成功～積層セラミックスコンデンサの新材料開発に道～

一般財団法人ファインセラミックスセンター（愛知県名古屋市/理事長 伊勢清貴）と芝浦工業大学（東京都江東区/学長 山田純）の共同研究により、第一原理計算とマテリアルズインフォマティクスを駆使した新たな探索手法を通じて、チタン酸バリウム（BaTiO₃）を凌駕する可能性を持つ準安定なペロブスカイト型RbNbO₃の合成に成功しました。この結果は、第一原理計算に基づくフォノン計算を活用したマテリアルズインフォマティクスによる巨大誘電率材料の探索の有効性を示しており、BaTiO3を凌駕する巨大誘電率材料開発の可能性が示唆されます。




I【概要】
現在、スマートフォンやパソコンなど多くの電子機器に積層セラミックスコンデンサ（MLCC）＊１が用いられている。このMLCCの誘電体材料にはペロブスカイト型結晶構造を有するチタン酸バリウム（BaTiO3）＊２が用いられている。このBaTiO3は室温付近で４０００程度の巨大な誘電率を有しており、この巨大な誘電率を活用しMLCCの小型大容量を実現している。BaTiO3は発見からすでに８０年が経過しており、これまで多くの材料探索実験の努力にも関わらず、このBaTiO3を凌駕する巨大誘電率材料は見出されていなかった。著者らは、材料探索が通常の合成プロセスを用いた網羅的な材料合成実験によるものであったため、通常の合成プロセスでは合成できない、準安定な材料＊３などは探索できなかったことも原因の一つであると考えていた。そこで本研究では、JFCC、芝浦工業大学との共同研究により、従来の実験主体の材料探索では合成できない準安定な材料を含めた広大な材料空間をくまなく探索するために、図１に示すような巨大誘電率材料探索スキームを考案した。第一原理計算＊４に基づくフォノン計算を活用してマテリアルズインフォマティクス＊５による巨大誘電率材料の探索を実施し、複数の候補を導出に成功した。これらの候補材料について非平衡合成プロセス＊６を用いた合成検討を行い、非平衡合成プロセスの一種である高圧合成＊7により準安定なペロブスカイト型RbNbO3の合成に成功した。合成した単結晶の品質はまだ充分ではないものの室温にて１０００～８００程度の巨大誘電率を確認した。この結果は第一原理計算に基づくフォノン計算を活用したマテリアルズインフォマティクスによる巨大誘電率材料の探索の有効性を示しており、BaTiO3を凌駕する巨大誘電率材料開発の可能性が示唆される結果である。


II【本研究の詳細】
① 現状と課題
現在、スマートフォンやパソコンなど多くの電子機器に積層セラミックスコンデンサ（MLCC）が用いられている。このMLCCの誘電体材料にはペロブスカイト型結晶構造を有するチタン酸バリウム（BaTiO3）が用いられている。このBaTiO3は室温付近で４０００程度の巨大な誘電率を有しており、この巨大な誘電率を活用しMLCCの小型大容量を実現している。BaTiO3は発見からすでに８０年が経過しており、これまで多くの材料探索実験の努力にも関わらず、このBaTiO3を凌駕する巨大誘電率材料は見出されていなかった。従来の材料探索は通常の合成プロセスを用いた網羅的な材料合成実験による材料探索であったため、その探索範囲は平衡状態での安定相に限られる。著者らは通常の合成プロセスでは合成できない、準安定な材料などは探索できなかったことがBaTiO3を凌駕する巨大誘電率材料は見出せなかった原因の一つであると考えていた。

② 研究内容
本研究では、ファインセラミックスセンター（森分博紀、設樂一希、横井里江、加藤丈晴）、芝浦工業大学（山本文子（工学部教授）、村瀬公俊（大学院理工学研究科博士（後期）課程地域環境システム専攻1年））との共同研究により、これまでの合成実験を主体とする材料探索では探索することのできない、準安定な材料を含めた広大な材料空間をくまなく探索するために、第一原理計算に基づくフォノン計算を活用してマテリアルズインフォマティクスによる巨大誘電率材料の探索スキームを開発、実施し、複数の候補材料の導出に成功した。具体的には図２に示すように、第一原理計算に基づくフォノン計算を用いたマテリアルズインフォマティクスを開発した。テストとしてICSDデータベースにペロブスカイト型結晶構造化合物として登録されている６１材料に対して網羅的な第一原理計算に基づくフォノン計算を行い、階層型クラスタリングにより分類することにより、巨大誘電率を示すBaTiO3と類似のフォノン分散を有する材料を明確に分類できていることを確認した。この方法を合成されていない仮想的な材料も含め５２５種類に拡大適用して、RbNbO3など複数の巨大誘電率候補材料の導出に成功した。