更新 2024-2-24
絶縁体と誘電体（Dielectric）
世の中の物質は、電気が流れるものと流れないものに分けられます．電気の流れる物質（導電体）である金属や半導体は現代の電気社会の中核であり、電線や回路を通じて電気を運ぶ役割を担います．
一方、電気を流さない物質を絶縁体と呼び、プラスチックやガラス、ゴムなどが例として挙げられます．絶縁体は電気を運べないものの、高圧電気が外に漏れ出ないように保護する役割があり、縁の下の力持ちとしてやはり電気文明には欠かせない存在です．
では、絶縁体は電気を流さないので電場をかけても何も起こらないと思いますか？
とんでもない！
確かに電流はないので何も起こっていないように見えますが、絶縁体の内部では刻々と電荷が溜め込まれています．コンデンサーを思い出してください．コンデンサーが電荷を貯めることができるのは、絶縁体を用いているからこそです．
こうした電気を貯めるという性質に着目した時、絶縁体はこのように呼ばれます．
「誘電体」と．
すなわち、絶縁体と誘電体とは同じものであり、注目する用途の違いによって呼び方が異なるだけです．絶縁体、別名「誘電体」は電気を絶縁するだけでなく、コンデンサー、光ファイバー、発振器など様座な用途に使用されます．交流電源を用いれば導電性を示すこともできます．
今回は、誘電体について見ていきましょう．
様々な分極
全ての物質は原子から構成されており、原子は原子核と電子からなります．これらは電荷を持つため、電場（）に応答することが可能です．導電体には自由に動ける電子がありますが、絶縁体では電子は全て原子核の周りに束縛されており自由には動けません．
しかし、ある程度は動く余地があり、ごく小さな電荷のズレが生じます．電子以外にもイオンや分子が電場によって変位することもあります．これらの変位の一つ一つのズレは小さいですが、マクロなスケールでは大きな効果として現れます．
このように、元々平均的に分布していた電荷に偏りが生じる現象を分極（）と呼びます．分極には、大きく以下の３種類が知られています．
電子分極（Electric polarization）
誘電体に電場をかけた際に原子中の電子がわずかに変位し、プラスとマイナスの電荷に偏りが生じる現象です．導電体以外のあらゆる物質で見られます．
イオン分極（Ionic polarization）
電子の代わりにイオンが電場によって変位し、電荷に偏りが生じる現象です．や
などのイオン結合性の物質で見られます．
配向分極（Orientational polarization）
電子でもイオンでもなく分子によって起こる分極です．水やアンモニアなどの極性分子は、電場のない状況下ではランダムな運動をしていますが、電場の方向に整列して分極が生じます．
様々な誘電体（Dielectrics）
分極のしやすさを誘電率（）と呼びます．普通は真空の誘電率との比率（比誘電率）を用いて表されます．
分極に関わる電荷が大きくなるほど誘電率は大きくなるので、配向分極は電子分極やイオン分極よりも大きくなるケースが多いです．とはいえ、誘電率は物質によって大きく異なる値を示します．
また、電場による分極のされ方にも物質間で大きな差があります．電場に対して分極が直線的に増加するもの、圧力を変えることで分極されるもの、中には電場なしでも分極を示すものもあります．分極の方向も一方向を向いているもの、互い違いに向いているもの、ぐるぐる渦を巻いているものなど様々です．
今回は、多彩な種類を誇る誘電体について、その違いを見ていきます．
常誘電体（Paraelectrics）
接頭辞の para-は「近くに」を意味します．常誘電体に電場を印加すると電場の方向に分極が生じます．
分極は電場に対して直線的に増加し、電場を取り除くとゼロになります．また、電場を加えるときと取り去るときで同じ経路をたどります．常誘電体が分極する要因は電子分極、イオン分極、配向分極いずれの可能性もあります．
大部分の絶縁体は常誘電体です．空気やプラスチック、セラミックス、ガラスなどが含まれます．誘電率の値は通常の物質ではたかだか１０程度ですが、物質によっては巨大な値を示すものもあります．
特に大きな誘電率を示す物質としてや
が挙げられます．高い誘電率を示す誘電体はコンデンサや揮発性メモリ素子として用いられます．
圧電体（Piezoelectrics）
接頭辞の piezo-の意味は「押さえつける」であり、その名の通り圧電体は圧力をかけることで分極を起こします．
常誘電性はどのような結晶構造の物質でも示しますが、圧電効果は一部の結晶構造の物質でしか見られません．全ての結晶構造は対称性によって３２の点群に分類できますが、圧電性をしめすのはそのうちの２０種類だけです．
違いは、結晶の反転対称性にあります．通常の物質は、ある点を中心に反転しても原子位置が元とぴったり重なる構造を持っています．この場合、物質の一方向に圧力をかけても、その影響は正反対の方向にも均等に現れるため、電荷がどちらかの方向に偏ることはありません．
一方で、圧電体では対称な構造にはなっておらず、反転しても原子の位置が元の位置と重なりません．このため、変形の影響が一様でなくなり、電荷が一方向に偏って分極が発生します．圧電体は電場をかけると変形するという逆圧電効果も示します．
圧電性を示す物質では水晶や石英が特に有名です．クォーツ時計では、水晶の圧電性を利用した水晶発振器を使用して時間を測っています．
また、工業的に応用されている圧電材料として、
、
と
（PZT）の固溶体が挙げられます．特にPZTは優れた圧電性を示し、毒性の鉛を含むにも関わらず、替えが利かないので未だに使用され続けています．圧電体は、着火装置、スピーカー、センサー、アクチュエーターなど幅広い分野で使用されています．
焦電体（Pyroelectrics）
接頭辞のpyro-が「火、電気」を意味する通り、焦電体は加熱したときに分極を示す材料です．
焦電体は、電場や圧力を加えることなしに自発的に分極し、表面に電荷を生じています．すなわち、何もしなくても物質の内部がプラスの部分とマイナスの部分に偏って存在しています．とはいえ通常は、空気中の荷電粒子を表面に吸着して電荷が中和されているため、外部から分極は見えません．
焦電体を加熱あるいは冷却することによって、表面に吸着していた荷電粒子との電荷のバランスが崩れ、表面に電荷が現れます．
焦電体は圧電体の一種であり当然焦電体も圧電性を示します．焦電性を示す物質は圧電性よりもさらに絞られ、３２の点群のうち１０種類だけが圧電体となります．なお、焦電体は熱電材料とは異なります．
有名な焦電体として電気石（トルマリン）などの鉱物、酒石酸やPVDFなどの有機材料があります．そのほか、、
、
などが焦電性を示します．焦電体の主な応用先として焦電素子が挙げられます．
焦電素子は、温度が変わった時に変化する電荷量を電圧の変化として検出する事が可能で、温度センサーや赤外線センサーとして使用されます．
強誘電体（Ferroelectrics）
Ferro-は「鉄」を意味しており、一見誘電体とは何の関係もないのですが、強磁性体（Ferromagnet）と似たような振る舞いを示すことから強誘電体と名付けられました．
強誘電体は焦電体と同様、電場のない状態でもすでに自発的に分極しています．
強誘電体の特徴は、分極の方向と反対向きに電場を印加することにより分極の方向を反転することができることです．強誘電体は一般に誘電率が非常に大きいですが、誘電率が大きいから強誘電体と呼ばれるわけではないことに注意が必要です．強誘電体は電場・分極曲線において、強磁性体と同様のヒステリシスループを示します．
強誘電体は焦電体・圧電体は圧電体の一種であり、焦電性・圧電性をともに示します．強誘電性を示す物質の点群は焦電体のものと同じですが、外部電場によって分極を反転できるような特殊な結晶構造が必要になります．強誘電体は一定以上の温度になると常磁性体に転移し、この転移温度をキュリー温度と呼びます．
強誘電体としては、昔は酒石酸カリウムナトリウム（ロッシェル塩）が普及していましたが、近年ではリン酸二水素カリウム（KDP）やが代表的な強誘電体として知られています．
強誘電体は電場無しで分極を持ち、電場によって電荷を正から負に切り替えることができるので不揮発性のメモリ材料としての応用が可能です．そのほか、蓄電材料、センサー、コンデンサー等に利用されます．
反強誘電体（Antiferroelectrics）
Anti-は「反対」を意味し、強誘電体（Ferroelectrics）の反対の性質を示します．
反強誘電体と強誘電体の関係は、強磁性体と反強磁性体の関係によく似ています．すなわち、反強誘電体では隣り合うイオンによる変位が反対方向を向いています．そのため自発分極はゼロであり、誘電率も強誘電体に比べると高くありません．
しかし、構造的には強誘電体に近いため，これらの分極は外部電場の印加により整列させることが可能で，強い電場を印加すると強誘電体のような挙動を示します．
強誘電体と同様、反強誘電体に一定以上の温度を与えると常磁性体に転移し、この転移温度をネール温度と呼びます．また、反強誘電体の隣り合うイオンの変位の値が異なるような物質はフェリ誘電体と呼び、こちらは自発分極を持ちます．
反強誘電体の代表的な物質としてや
が知られています．反強誘電体は常誘電体や強誘電体と比べ、大きなエネルギー密度を持つことから、エネルギー貯蔵やパワーエレクトロニクス用コンデンサのような電子デバイスへの応用が期待されています．
らせん誘電体
上述の強磁性体と強誘電体のアナロジーから分かるように、物質中の電気分極と磁気秩序は対応関係にあることが多いです．磁気秩序は単なる強磁性と反強磁性以外にも、複雑なパターンを持つ磁気秩序が多く知られています．例えば、磁気モーメントが渦を巻いたように整列するらせん磁性などが挙げられます．
しかし、誘電体の世界ではこのような複雑なパターンは長らく知られていませんでした．2020年、ついにらせん状に電気双極子が整列した状態が、で観測されました．[a]
まとめ
絶縁体もとい誘電体は、一見地味ですが現代社会を支える重要な材料です．単に電気を絶縁する用途で使用する場合を絶縁体、分極に注目して利用する場合を誘電体と呼ぶだけで、両者は同じものを指しています．誘電体には多くの種類があり、特性に応じて主に電荷の貯蔵やセンサーの用途に利用されます．ここに述べた以外にも様々な特性、様々な物質が知られていますが、詳しくは個別の項目で触れることにします．
参考文献
[a] Science 369, 680–684 (2020)
