物性物理学：界面の極性対称性によって誘起される圧電効果と焦電効果

ヘテロ構造の界面は、整流、光起電力効果、量子ホール効果、高温超伝導などの特徴的な現象が多く、現代の技術的デバイスにおいて重要な役割を果たしているため、物性物理学において数十年にわたり重要な関心事となってきた。しかし、界面における対称性の変化と、その結果生じる効果の大半は見落とされていた。今回我々は、ヘテロ構造界面におけるバンドの湾曲に由来する内部電場によって界面に極性対称性が生じ、その結果、成分材料が中心対称であっても、圧電性や焦電性などの創発的な機能性がもたらされることを示す。我々は、貴金属と、ニオブドープチタン酸ストロンチウム結晶、ニオブドープ二酸化チタン結晶、ニオブドープチタン酸バリウムストロンチウムセラミック、シリコンなどの中心対称性の半導体で形成された古典的な界面、すなわちショットキー接合を調べた。その結果、空乏領域の内部電場によって、半導体内に極性構造が誘起され、大きな圧電効果と焦電効果が生じることが分かった。特に、この界面の焦電係数と性能指数は、従来のバルク極性材料より1桁以上大きかった。今回の研究によって、ヘテロ構造界面の機能性が豊かになり、固有の対称性によって課される従来の限界を超えたエネルギー変換を実現するための独特の方法が得られる。

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