チタン酸バリウム BaTiO3

チタン酸バリウム(BaTiO3)

チタン酸バリウム(BaTiO3)とは、強い誘電性を持つ、代表的なセラミックスです。一番我々の周りで使われているのはコンデンサでしょうか。コンデンサといえば、蓄電器といわれるように一時的に電気を貯めることができるものなので、このことからも電気的に非常に特性を持っている、と推測されるでしょう。

コンデンサ,チタン酸バリウム

チタン酸バリウム

チタン酸バリウムBaTiO3の高い誘電性

チタン酸バリウム(BaTiO3)は極めて高い比誘電率を備えており、セラミック積層コンデンサなどの誘電体材料として広く使用されています。この高い誘電性がおそらくチタン酸バリウム(BaTiO3)でもっとも押さえるべきポイントといえるでしょう。チタン酸バリウム(BaTiO3)には誘電性があるんだよ、で終わってしまうのも少々、不毛なのでもう少し誘電性について勉強しました。チタン酸バリウム(BaTiO3)は強誘電体というもののひとつです。強誘電体とは、外部に電場がなくても電気双極子が整列しており、かつ双極子の方向が電場によって変化できる物質と定義されます。電気双極子(英語:electric dipole)とは、正電荷 q と負電荷 -qが微小な距離離れて存在する状態のことであるとしましょう。私の理解で換言すれば、外部に電場がない状態でも、正電荷と負電荷がちゃんと整列していて、-誘電性というぐらいですから-電場があれば、それに応じて状態が変化できるものだと、私は理解しました。昔、阪神タイガースで赤星という盗塁王がいましたが、彼は、どんな緊迫な場面でも盗塁する姿勢を崩さず、そしてスキあれば、盗塁を実際に試み、かつ成功させた本当の盗塁王でしたが、要するにそういうことですよね?蛇足はさておき、外部から電場をくわえると電荷の向きは変わるので、個人的にはこれを聞いただけで、わくわくするなにかができるんだろうなぁと思ってしまいます。

チタン酸バリウム(BaTiO3)の結晶構造と変化

さて、チタン酸バリウム(BaTiO3)ですが、こちらも温度によって結晶構造が変化します。wikipedia先生によれば、「チタン酸バリウム(BaTiO3)の結晶構造は低温から高温に向かって菱面体晶-斜方晶-正方晶-立方晶と転移するが、実用上重要なのは室温で安定な正方晶 (Tetragonal) と 120 ℃ 以上で安定な立方晶 (Cubic) である。」とのことなので、室温と120℃以上に絞って勉強しようと思います。

チタン酸バリウム結晶構造

チタン酸バリウム結晶構造

チタン酸バリウム(BaTiO3)を始め、強い誘電体は変位型強誘電体という分類に振り分けられることが多く、
高温度(チタン酸バリウムの場合は120℃以上)では、自発的に整列する永久電荷を持ちません。
しかしキュリー温度以下(チタン酸バリウムの場合は120℃以下)になると、相転移が起こり、
結晶が少し縦長(チタン酸バリウムの場合は1%程度)になって、正負のイオンが相対的に変位するため自発分極が発生するわけです。
120 ℃ を分岐点にで立方晶 (Cubic) ←以上 以下→ 正方晶 (Tetragonal) に転移するわけですな。
あとはチタン酸バリウム(BaTiO3)の120℃をどう上下させるかは、モノづくりの見せどころです。
特にwikipedia先生によれば、「カルシウム (Ca)、ストロンチウム (Sr)などのアルカリ土類金属、イットリウム (Y)、及びネオジム (Nd)、サマリウム (Sm)、ジスプロシウム (Dy)などの希土類金属」を加えるとのことですが、実際はwikipediaの知らない多くのノウハウが詰め込まれているのかなぁと思うと胸が熱くなります。