(57)【要約】【課題】電場１Ｖあたりの結晶の長さの変化が飛躍的に増大した電歪素子を提供する。【解決手段】電場に応じて歪を生成する電歪素子は、電気導体の特性を有する有機分子物質を含み、この電気導体の特性を有する有機分子物質は、θ-(BEDT-TTF)2CsM(SCN)4 (M=Zn and Co)を含んでおり、有機分子物質の１ボルトあたりの結晶長さ変化量は、１０−６ｍ／ボルト以上である。【選択図】図１
2009164429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電場に応じて歪を生成する電歪素子において、
電気導体の特性を有する有機分子物質を含むことを特徴とする電歪素子。
【請求項２】
前記有機分子物質は、θ-(BEDT-TTF)2CsM(SCN)4(M=Zn and Co)を含む請求項１記載の電歪素子。
【請求項３】
前記有機分子物質の１ボルトあたりの結晶長さ変化量は、１０−６ｍ／ボルト以上である請求項１記載の電歪素子。
【請求項４】
電気導体の特性を有する有機分子物質を含む電歪素子に電場を与えて歪を生成することを特徴とする電気歪生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電場に応じて歪を生成する電歪素子、及び電歪素子に電場を与えて歪を生成する電気歪生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電歪素子（ピエゾ素子）が広く知られている。強誘電体は、電場を作用させると歪む性質があり、電歪素子には一般にこの強誘電体を用いる。
【０００３】
電歪素子は、電場を結晶に加えたときに、正電荷を帯びるイオンと、負電荷を帯びるイオンとが中心対称を失うように位置を変化させる（変位する）ことによって、電場による結晶の変形を実現している。
【非特許文献１】「物性科学入門シリーズ、物質構造と誘電体入門」、高重正明、裳華房、２００３年、４６頁〜４９頁
【非特許文献２】「第８版  キッテル固体物理学入門  下」、Charles Kittel  宇野  良清、津谷  昇、新関  駒二郎、森田  章（東北大学名誉教授）、山下  次郎（東京大学名誉教授）  訳、丸善（株）出版事業部、２００５年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
強誘電体を用いた従来の電歪素子（ピエゾ素子）は、電場１Ｖあたりの結晶の長さの変位差が、１０−１０ｍ／Ｖと小さいという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、電場１Ｖあたりの結晶の長さの変化が飛躍的に増大した電歪素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電歪素子は、電場に応じて歪を生成する電歪素子において、電気導体の特性を有する有機分子物質を含むことを特徴とする。
【０００７】
上記の特徴によれば、電場に応じて歪を生成する電歪素子を、電気導体の特性を有する有機分子物質によって構成したので、電気導体の特性を有する有機分子物質中の電子の秩序状態を、電流により撹乱することにより、結晶格子の歪みを生み出すことができる。従って、電場１Ｖあたりの結晶の長さの変化が飛躍的に増大した電歪素子を提供することができる。
【０００８】
本発明に係る電歪素子では、前記有機分子物質は、θ-(BEDT-TTF)2CsM(SCN)4(M=Zn and Co)を含むことが好ましい。
【０００９】
上記構成によれば、電場１Ｖあたりの結晶の長さの変化が飛躍的に増大した電歪素子を容易に提供することができる。
【００１０】
本発明に係る電歪素子では、前記有機分子物質の１ボルトあたりの結晶長さ変化量は、１０−６ｍ／ボルト以上であることが好ましい。
【００１１】
上記構成によれば、電場１Ｖあたりの結晶の長さの変化が飛躍的に増大した電歪素子を容易に提供することができる。
【００１２】
本発明に係る電気歪生成方法は、電気導体の特性を有する有機分子物質を含む電歪素子に電場を与えて歪を生成することを特徴とする。
【００１３】
この特徴によれば、電場に応じて歪を生成する電歪素子を、電気導体の特性を有する有機分子物質によって構成したので、電気導体の特性を有する有機分子物質中の電子の秩序状態を、電流により撹乱することにより、結晶格子の歪みを生み出すことができる。従って、電場１Ｖあたりの結晶の長さの変化が飛躍的に増大した電気歪生成方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る電歪素子は、以上のように、電場に応じて歪を生成する電歪素子を、電気導体の特性を有する有機分子物質によって構成したので、電場１Ｖあたりの結晶の長さの変化が飛躍的に増大した電歪素子を提供することができるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る電気歪生成方法は、以上のように、電気導体の特性を有する有機分子物質を含む電歪素子に電場を与えて歪を生成するので、電場１Ｖあたりの結晶の長さの変化が飛躍的に増大した電気歪生成方法を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の一実施形態について図１ないし図５に基づいて説明すると以下の通りである。
【００１７】
図１は、実施の形態に係る電歪素子を説明するための図である。電歪素子１は、電場生成器２によって生成された電場３に応じて歪を生成する。電歪素子１は、電気導体の特性を有する有機分子物質によって構成されている。この電気導体の特性を有する有機分子物質は、θ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＣｓＭ（ＳＣＮ）４（Ｍ＝Ｚｎ  ａｎｄ  Ｃｏ）を含んでいる。
【００１８】
従来の電歪素子（ピエゾ素子）は、強誘電性のイオンが外部電場によりその位置を変化させることを原理として用いている。本発明者は、強誘電性のイオンを用いるのではなく、電気導体の特性を有する有機分子物質中の電子の秩序状態が、電流により撹乱されることにより、結晶格子の歪みが生み出されることを利用する。本発明者は、この現象が、θ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＣｓＭ（ＳＣＮ）４  （Ｍ＝Ｚｎ  ａｎｄ  Ｃｏ）に現れることを見出した。
【００１９】
この電気導体の特性を有する有機分子物質であるθ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＣｓＭ（ＳＣＮ）４  （Ｍ＝Ｚｎ  ａｎｄ  Ｃｏ）に電流を流すと、結晶体積が変化する。この動作の確認温度は、１０Ｋ付近である。θ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＣｓＭ（ＳＣＮ）４（Ｍ＝Ｚｎ  ａｎｄ  Ｃｏ）の１ボルトあたりの結晶長さ変化量は、ΔＬ／ＬＥｅｘ＝１０−６ｍ／Ｖ以上となり、従来の物質の２桁〜４桁大きく、従来の物質よりも格段に大きい。
【００２０】
ピエゾ効果は、格子変形が電界に比例して変化する現象である。この現象のおかげで、ピエゾ材料からなるデバイスの長さは、電界に応じて正確に変化し得る。ピエゾ効果は、圧力／応力センサ、超音波変換器、及び走査プローブ顕微鏡のような広い範囲の応用に使用されている。単純な調和的議論から、ピエゾ効果は、反転対称が無いことが要求され、従って、強誘電材料がピエゾになり得る。これに対して、金属、半導体は、電界が厳しく覆われるため、電歪性を示さなかった。ここで我々は、導電性有機塩の軸長が、電流（及び等価的な電界）に応じて変化することを示す。これは、格子と電界との間の新たなタイプの相関である。この有機塩の導電性のために、小さな電界が、有限の電流を引き起こし、これにより、格子パラメータの実質的な変化を引き起こし、有効なピエゾ係数は、すばらしく大きくなる。
【００２１】
導電性の有機塩θ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＣｓＭ（ＳＣＮ）４（Ｍ＝Ｚｎ  ａｎｄ  Ｃｏ）は、電荷秩序導体として知られており、ＢＥＤＴ−ＴＴＦは、ビス（エチレンジチオ）テトラチアフルバレンを表わしている。
【００２２】
図２（ａ）に模式的に示すように、この塩は、導電性のＢＥＤＴ−ＴＴＦ層及び絶縁性のＣｓＭ（ＳＣＮ）４層をｂ軸に沿って交互に積層されてなる層状の材料である。ギリシア文字θは、ａｃ平面におけるＢＥＤＴ−ＴＴＦ分子のパッキングパターンを特定し、この場合は「三角格子」を表わす。ＢＥＤＴ−ＴＴＦ分子の三角格子では、クーロン反力のため、低温において２分子ごとに１つの穴が配置される。この特別な塩では、電荷秩序の異なるパターンが競い、２０Ｋよりも低い温度で非均質的に凍る。その１つは、外部電流によって溶け、巨大な非線形の導電性を生じる。電圧電流特性は、サイリスタ装置のそれと本質的に同じであるので、これを塩有機サイリスタと名づける。
【００２３】
電荷秩序が電流によって溶けると、結晶セルの中の変化が期待される。類似の有機塩であるθ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＲｂＺｎ（ＳＣＮ）４が、電荷秩序温度１９０Ｋで１次構造位相遷移を示す。そして、ｃ軸に沿ったＢＥＤＴ−ＴＴＦ分子の交互回転が発達する。塩θ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＣｓＭ（ＳＣＮ）４（有機サイリスタ）では、電流の下で溶ける電荷秩序は、回転を解放する。このような現象は、非線形のＶ／Ｉ特性が現れている間に生じる。
【００２４】
我々は、時間分解信号検出機構を伴うシンクロトロンＸ線回折実験を行った。格子パラメータのかすかな変化が、非線形Ｖ／Ｉ応答の間の高速度時間分解能を有するシンチレーション計数管によりモニタされ、この材料において示された。
【００２５】
図２（ｂ）は、実験装置を模式的に示す。０．１×０．２×３．３ｍｍ３の寸法の試料が、ｃ軸に沿って４本の電線に取り付けられており、その１つのエッジは、閉じた冷凍サイクルのヒートバスとしてはたらく銅ブロックにつながれている。試料と検出器とは、それぞれω及び２θ軸の周りにブラッグ条件を満足するように独立に回転する。我々は、シンクロトロン放射を、ＢＬ０２Ｂ１、ＳＰｒｉｎｇ−８におけるＸ線源（λ＝０．０６１６７ｎｍ）として使用し、Ｉｅｘの外部電流のための散乱強度ＮＩｅｘは、０．１４秒の集積時間を伴う３．７５秒の間隔の前の０．２５秒の電流パルスに同期したω及び２θの関数として記録される。ジュール熱は、平均的に１０μＷよりも小さいと評価される。これは、サンプル温度１０ｍＫまで増大し得る。
【００２６】
図３（ａ）において、外部電流無しの場合の（００４）反射に対する強度Ｎ０が、２θ−ω平面において示されている。これは、曲がった楕円体のように分配され、ｃ軸の長さと方向とが試料における特徴的な変化を示している。これは、電荷秩序領域の非均質的分配と整合している。ｃ軸に沿った分子回転の程度は、試料の領域から領域に渡って変化する。
【００２７】
図３（ｂ）において、Ｎ８ｍＡ（Ｉｅｘ＝８ｍＡを伴う散乱強度）は、Ｉｅｘが、２θ＝２９．８１〜２９．７９度の周りに高強度領域（赤領域）にシフトすることを示す。これは、８ｍＡの外部電流がｃ軸に沿って格子を広げたことの明らかな証拠であり、これによって、この複合物において強い電流−格子結合が現れる。もう一つの顕著な特徴は、Ｉｅｘが、２θ−ω平面における高強度領域を壊すことである。赤領域は、図３（ｂ）における完全楕円体を横切って延び、図３（ａ）における楕円体の右半分に制限される。これは、Ｉｅｘが、電荷秩序領域の分配を変更し、ｃ軸の長さを実質的に改変することを意味する。
【００２８】
Ｉｅｘによって引き起こされたかすかな変化を視覚化するために、零電流強度Ｎ０を、供給された電流ＮＩｅｘから減算する。図４（ａ）に模式的に示されているように、もし、Ｉｅｘが２θ方向に沿った強度を翻訳しているだけならば、ΔＮ＝ＮＩｅｘ−Ｎ０は、２θの関数として、一対のくぼみ（青）と頂（赤）になるであろう。くぼみと頂との幅は、２θ（Δ２θ）にほぼ等しい。実際、観測されたＮ０及びＮ８ｍＡから計算されたΔＮは、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示されるように、２θ−ω平面における（８  ０  ０）及び（０  ３０  ０）反射のための一対の青及び赤スポットによって大まかに表わされる。一方、図４（ｃ）に示されるように、図３で議論された改変された非均質性による（０  ０  ４）反射のための２θ−ω平面内に多数の赤スポットが現れる。一方、青スポットは、はっきりと十分に定義されている。図４（ｂ）〜図４（ｄ）に矢印によって示されているように、それぞれ、ａ、ｂ及びｃ軸の＋０．００９、０．０２、及び−０．０２度として青スポットの幅からΔ２θを評価する。または、等価的に、格子変形ΔＬ／Ｌ（＝Δ２θ／２θ）は、それぞれ、ａ、ｂ及びｃ軸の−０．０３、０．０２及び０．０７％に評価される。ｃ軸に沿ったΔ２θ＝０．０２度は、図３におけるピークシフトから評価された値と等しい。その結果、試料のボリュームは、８ｍＡに対して０．０６％増大したことが見出された。
【００２９】
Ｉｅｘにより引き起こされたエレクトロストリクションΔＬ／Ｌをピエゾ効果と比較する。まず、ΔＬ／Ｌは、試料（Ｖ）を横切る電圧降下に比例しない。図４（ｅ）〜図４（ｇ）に示すように、Ｉｅｘ＝１ｍＡのときのΔＮは、Ｉｅｘ＝８ｍＡのときのΔＮに類似している。これは、Δ２θがＩｅｘ及びＶ（図５（ａ））に弱く依存していることを意味している。次に、格子は非均質的に引っ張り、その体積部分は、ＩｅｘまたはＶとともに増大する。図５（ｂ）は、Ｖの関数としての青スポット|ΔＮ|の強度を示す。|ΔＮ|は、電圧とともに急速に増大する。従来のピエゾ効果は、格子の一様な変位を引き起こすので、ΔＮ、即ち、体積部分は、Ｖと独立である。第３に、Ｉｅｘ＝８ｍＡのときのΔＬ／Ｌは、強誘電材料の電歪定数に比較して驚くほどに巨大であることが立証された。ここで、Ｉｅｘ＝８ｍＡのときの効果的な電歪定数ｄｅｆｆを評価する。ΔＬ／Ｌは１０−４のオーダーであることは、既に評価されているので、外部電界Ｅｅｘのオーダーのみを知ればよい。これは、試料長１．２ｍｍでＶ＝０．１１Ｖのときに１０２Ｖ／ｍであることが知られる。そして、ｄｅｆｆは、ΔＬ／Ｌ及びＥｅｘから１０−６ｍ／Ｖと得られる。これは、通常のピエゾ材料の電歪定数１０４倍である。この差異を考慮すれば、この現象は、「巨大ピエゾ効果」と呼び得る。
【００３０】
これらの不規則性は、もっぱら外部電流によって溶けた電荷秩序に起因する。より高い電流がこの複合物の電荷秩序領域のより大きな部分を溶かすことを示した。従って、ΔＮは、溶けた領域の体積部分に対応し、Ｉｅｘを伴って増大することが期待される。一方、Δ２θは、溶解の前後における格子パラメータの差異によって決定され、すべての領域において等しく、Ｉｅｘ及びＥｅｘに弱く依存している。ｄｅｆｆ、「有効な」電歪定数は、Ｅｅｘの小さい値及びＥｅｘに独立なΔ２θの値に対して非常に巨大であり得る。
【００３１】
電流による電荷秩序の溶解からの巨大格子変動は、ピエゾ効果に類似の現象のための新規な設計コンセプトを示す。ピエゾ性は、機械的動作と電気的パワーとの間のエネルギ変換技術のための巨大な可能性を有している。この新たな発見は、イオン結晶内の原子の動きに起因する以前から知られていたピエゾ効果の小さな寸法に打ち勝つピエゾ効果の巨大な応答を示す。これは、相互電子システムにおける特性の１つである電荷秩序現象に適用される巨大なピエゾ応答を獲得する他の可能な原理の発見である。相互電子システムにおける電流−格子応答の巨大結合の探索は、近い将来、電気的パワーと機械的動作との直接エネルギ変換技術のための新規な構成を提供する。
【００３２】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、電場に応じて歪を生成する電歪素子、及び電歪素子に電場を与えて歪を生成する電気歪生成方法に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施の形態に係る電歪素子を説明するための図である。
【図２】（ａ）は上記電歪素子に含まれる導電性の有機塩θ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＣｓＭ（ＳＣＮ）４（Ｍ＝Ｚｎ  ａｎｄ  Ｃｏ）の構成を示す図であり、（ｂ）は上記導電性の有機塩θ−（ＢＥＤＴ−ＴＴＦ）２ＣｓＭ（ＳＣＮ）４（Ｍ＝Ｚｎ  ａｎｄ  Ｃｏ）のための実験装置の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は外部電流無しの場合の（００４）反射に対する強度Ｎ０を、２θ−ω平面において示すグラフであり、（ｂ）は外部電流Ｉｅｘ＝８ｍＡの場合の強度Ｎ０を示すグラフである。
【図４】（ａ）はＩｅｘによって引き起こされたかすかな変化を視覚化するためのグラフであり、（ｂ）〜（ｇ）は観測されたＮ０及びＮ８ｍＡから計算されたΔＮを示すグラフである。
【図５】（ａ）はΔ２θと電圧との間の関係を示すグラフであり、（ｂ）は|ΔＮ|と電圧との間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１    電歪素子
２    電場生成器
３    電場
【図１】
2009164429.tif 000003
【図２】
2009164429.tif 000004
【図３】
2009164429.tif 000005
【図４】
2009164429.tif 000006
【図５】
2009164429.tif 000007