ビスマスフェライトとは？わかりやすく解説

ビスマスフェライト
識別情報
CAS登録番号	12010-42-3 ;
3D model (JSmol)	Interactive image;
PubChem CID	161118030;
	InChI InChI=1S/Bi.Fe.3O/q2+3;3-2 Key: UKOQHRZDRNXQCP-UHFFFAOYSA-N ;
	SMILES [Bi+3].[Fe+3].[O-2].[O-2].[O-2] ;
性質
化学式	BiFeO3
モル質量	312.822 g·mol−1
	特記無き場合、データは標準状態 (25 °C [77 °F], 100 kPa) におけるものである。

ビスマスフェライト（英語: Bismuth ferrite、BiFeO₃、材料工学ではBFOと表記される）は、ペロブスカイト構造を持つ、マルチフェロイック物質（強誘電体かつ反強磁性体の特性を持つ物質）の一つである^[1]。常温では、菱面体晶系の結晶構造を持ち、空間群はR3cである^[2]^[3]^[4]。バルクや薄膜として合成され、反強磁性体（G型）のネール温度（約653K）と強誘電体のキュリー温度（約1100K）はともに常温を大きく上回る^[5]^[6]。強誘電体の誘電分極は、疑立方晶の方向( $\langle 111\rangle _{c}$ ) に沿って、90–95 μC/cm²の規模で起こる^[7]^[8]。

製法

ビスマスフェライトは鉱物として自然に産出されず、いくつかの合成方法が考案された。

固相合成

固相合成法では^[9]、モル比1:1の酸化ビスマス(III)(Bi₂O₃)と酸化鉄(III)(Fe₂O₃)を乳鉢やボールミルで混合し、高温で燃やす。その際、ビスマスが揮発しやすく、二次的にBi₂₅FeO₃₉（セレナイト (鉱物)）やBi₂Fe₄O₉（ムライト）を形成するため、当量の純粋なBiFeO₃を得ることは難しい。通常、800℃から880℃の間で5分から60分燃やし、その後急速に冷却する。過剰なBi₂O₃は、ビスマスの揮発とBi₂Fe₄O₉の形成への対策として用いられる。

単結晶成長

ビスマスフェライトは不均一に融解するが、酸化ビスマスを豊富に含むフラックスから結晶を成長させることができる^[2]。（例えば、750℃から800℃の4:1:1に混合されたBi₂O₃、Fe₂O₃、B₂O₃）高品質な単結晶は、ビスマスフェライトの強誘電体や反強磁性体、磁気電気効果といった性質の研究において重要である。

化学的方法

ゾルゲル法、改良されたペチーニ法^[10]、水熱合成^[11]、および沈殿法が純粋なBiFeO₃の製法として用いられてきた。これら化学合成の利点は、前駆体の組成の均質性と、はるかに低い必要温度によるビスマスの損失の低減が挙げられる。ゾルゲル法では、有機的な残留物を除去し、ビスマスフェライトのペロブスカイト相の結晶化を促進するために、アモルファスの前駆体を300℃から600℃で煆焼するが、欠点として高密度の多結晶を作るために高温で粉末を焼結する必要がある。

溶液の燃焼反応は、多孔質のBiFeO₃を作る低コストの方法である。この方法では、グリシンやクエン酸、尿素などの還元剤と、硝酸や硝酸などの酸化剤が酸化還元反応において使われる。炎の形状、ひいては混合物の温度は、使用する酸化剤還元剤の比に依存する^[12]。中間体として形成される酸化硝酸ビスマスを分解するために、600℃で焼きなます必要がある。この半導体中のFeイオンの含有量から、常磁性体の存在を検出するための方法としてメスバウアー分光法が適切である。

薄膜

2003年に報告されたビスマスフェライトの高品質なエピタキシー法による薄膜の電気的および磁気的な性質^[1]は、ビスマスフェライトへの科学的な関心を再燃させた。エピタキシャルな薄膜は、加工や化学的な不純物の添加によって調整可能であり^[13]^[14]、電子回路に統合できるという大きな利点を持つ。

ビスマスフェライトとは異なる格子定数を持つ単結晶基板によって誘発されたエピタキシャルなひずみ (化学)は、結晶構造を単斜晶系または正方晶系に変化させ、強誘電性、圧電性、磁気的特性を変化させることができる^[15]。パルスレーザー堆積法(PLD)は、エピタキシャルなBiFeO₃薄膜を得るための一般的な方法であり、SrRuO₃電極を持つSrTiO₃基板が使われる。他にも、スパッタリング、分子線エピタキシー法（MBE）^[16]、有機金属気相成長法（MOCVD）、原子層堆積法（ALD）、溶液による堆積法などがエピタキシャルに薄膜を得る方法として挙げられる。さらに、磁気的、電気的特性に加え、強誘電体光起電力効果（FPV）と呼ばれる光起電的性質を示す。

応用

常温でマルチフェロイック素材であはること、強誘電体光起電力効果により、ビスマスフェライトは磁性、スピントロニクス、太陽光発電といった分野に応用される。

太陽光発電

FPV効果において、光の照射により強誘電体に光電流が生成され、その向きはその素材の誘電分極に依存する。FPV効果は従来の光起電力効果素子に代わる有望な技術として期待されている。しかし、LiNbO₃などの強誘電体的な性質を示す素材では、大きいバンドギャップと低い導電性により、非常に小さい光電流しか流れない^[17]。この点において、ビスマスフェライトは光の照射により大きい光電流と高い電圧^[18]が観測されるため、期待されている。ビスマスフェライトを光起電力効果を持つ素材として活用するほとんどの研究は、薄膜に関する報告であるが、いくつかの研究ではポリマー、グラフェン、他の半導体などと二層構造が形成されていると報告されている。またある報告では、p-i-nヘテロ接合は、酸化物系キャリア輸送層とビスマスフェライトのナノ粒子によって形成される^[19]。こうした努力にもかかわらず、ビスマスフェライトから得られる電気変換効率は、依然としてとても低い。

メモリーチップ

北京科技大学とスペイン科学研究高等評議会の研究チームは、フェライトの酸素の一部を硫黄などの他の化合物に置換することで、磁力を60倍以上増加させることができると主張している。これにより、磁気記憶密度を向上させ、停電時の持続可能性を高めることが可能かもしれないと考えられている^[20]。

脚注

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表話編歴ビスマスの化合物
二元化合物	BiAs BiBr₃ BiCl₃ BiF₃ BiF₅ BiH₃ BiI₃ Bi₂O₃ Bi₂O₅ BiP Bi₂S₃ BiSb Bi₂Se₃ Bi₂Te₃
三元化合物	BiAsO₄ Bi(CH₃COO)₃ Bi₂(CO₃)O₂ BiFeO₃ Bi₄Ge₃O₁₂ Bi(IO₃)₃ Bi(NO₃)₃ BiOCl Bi(OH)₃ BiOI BiONO₃ Bi₂(SO₄)₃ Bi₁₂SiO₂₀ BiVO₄ HBiO₃ NaBiO₃ Pb(BiO₃)₂
有機化合物	Bi(CH₃)₅ Bi(C₆H₅)₅ C₄H₄BiH C₇H₅BiO₆
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