サブＴＨｚ超音波を用いた物質の弾性と機能との強相関の究明

• Project/Area Number: 12J01382
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Materials/Mechanics of materials
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 長久保 白 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2014: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2012: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 弾性定数 / 音速 / ピコ秒超音波法 / BN / AlN / SiO2ガラス / 音速計測 / 圧電体 / ピコ秒超音波 / 弾性率 / ダイヤモンド / 同位体効果

Outline of Annual Research Achievements

今年度は本研究の最終年度として今までの研究成果の論文執筆・学会発表に努めた。その中でダイヤモンドに次ぐ高硬度材料として知られる窒化ホウ素の硬度が測定法によっては弾性率の影響を受けて過大評価されてしまうことを示した。これは超硬材料の硬度測定法に関して重要な指針である。なぜなら近年、窒化ホウ素の硬度がダイヤモンドの硬度を上回るという報告や、従来のダイヤモンドの2倍以上の硬度を誇るダイヤモンドの合成に成功したという報告がなされており、硬度の計測法自体に疑問がもたれているからである。
またフッ素を添加した石英ガラス薄膜の音速の温度依存性がバルクよりも小さく、また石英ガラスの熱伝導率の低さによってレーザー加熱の影響が無視できないということを示した。石英ガラス薄膜は携帯電話など無線通信デバイスで特製周波数の電波を受信するための音響フィルタ中で温度補償材として使用されている。しかしその薄膜の特性を直接計測することは従来法では困難であり、音速の絶対値やその温度係数などは未知のままであった。本研究は初めてそれを直接計測することに成功し、デバイス開発やガラス薄膜の音響特性の解明に大きく貢献した。
音響フィルタ中では電波信号を音響信号に変換する素子として窒化アルミニウム(AlN)などの圧電体が使用されており、マグネシウムとハフニウムまたはジルコニウムを添加したAlN薄膜の音速計測も行った。これは信号変換効率を上昇させるために新たに作成された材料であり、デバイスとして実用化するためには音響特性の解明が欠かせない。計測の結果、異種元素を約10％添加することで音速が10％以上低下することを解明した。
以上の結果はすべて今年度に学会で発表または論文として執筆を行った。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Hopping conduction and piezoelectricity in Fe-doped GaN studied by non-contacting resonant ultrasound spectroscopy (2015)
  • Author(s): H. Ogi, Y. Tsutsui, N. Nakamura, A. Nagakubo, M. Hirao, M. Imade, M. Yoshimura, and Y. Mori
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 106 Issue: 9
  • DOI: 10.1063/1.4913973
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Acoustic properties of co-doped AlN thin films at low temperatures studied by picosecond ultrasonics (2015)
  • Author(s): A. Nagakubo, M. Arita, T. Yokoyama, S. Matsuda, M. Ueda, H. Ogi, and M. Hirao
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: (未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elasticity and hardness of nano-polycrystalline boron nitrides: The apparent Hall-Petch effect (2014)
  • Author(s): A. Nagakubo, H. Ogi, H. Sumiya, and M. Hirao
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 105 Issue: 8
  • DOI: 10.1063/1.4894377
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elastic constants of cubic and wurtzite boron nitrides (2013)
  • Author(s): A. Nagakubo, H. Ogi, H. Sumiya, K. Kusakabe. M. Hirao
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 102 Issue: 24 Pages: 241909-241909
  • DOI: 10.1063/1.4811789
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] サブTHz超音波を用いた機能性酸化物の音速減衰の極低温計測 (2013)
  • Author(s): 長久保白, 荻博次, 平尾雅彦
  • Journal Title: 超音波テクノ Volume: 25 Pages: 89-91
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elastic properties of single-crystalline ω phase in titanium (2013)
  • Author(s): M. Tane, Y. Okuda, Y. TodaKa, H. Ogi, A. Nagakubo
  • Journal Title: Acta materialia Volume: 61 Issue: 20 Pages: 7543-7554
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2013.08.036
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Precise measurement of sound velocity of amorphous silica at low temperatures by picosecond ultrasounds: correction of static heating effect (2015)
  • Author(s): A. Nagakubo, H. Ishida, H. Ogi and M. Hirao
  • Organizer: 2015 International Congress on Ultrasonics
  • Place of Presentation: Arsenal, Metz, France
  • Year and Date: 2015-05-10 – 2015-05-14
• [Presentation] Elastic stiffness of cubic and wurtzite boron nitride (2015)
  • Author(s): A. Nagakubo, H. Ogi, H. Sumiya, and M. Hirao
  • Organizer: TMS (The Minerals, Metals and Materials Society) 2015, 144th annual Meeting
  • Place of Presentation: Walt Disney World Swan and Dolphin Resort, Orland, Florida, USA
  • Year and Date: 2015-03-15 – 2015-03-19
• [Presentation] 極低温ピコ秒超音波法を用いた異なるキャリア密度のGaNに対するキャリアダイナミクスの観測 (2015)
  • Author(s): 長久保 白，石原 達也，荻 博次，中村 暢伴，平尾 雅彦
  • Organizer: 2015年春季 第62回 応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
  • Invited
• [Presentation] Acoustic properties of co-doped AlN thin films at low temperatures studied by picosecond ultrasonics (2014)
  • Author(s): A. Nagakubo, Mari Arita, T. Yokoyama, S. Matsuda, M. Ueda, H. Ogi, and M Hirao
  • Organizer: The 35th Symposium on Ultrasonic Electronics
  • Place of Presentation: Meiji University, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2014-12-03 – 2014-12-05
• [Presentation] 極低温ピコ秒超音波法を用いたGaN のキャリアダイナミクスの観測と圧電定数計測 (2014)
  • Author(s): 長久保 白，石原 達也，荻 博次，中村 暢伴，平尾 雅彦
  • Organizer: 2014年秋季 第75回 応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Temperature coefficients of fluorine-doped amorphous-SiO2 thin films measured by picosecond ultrasonics. (2014)
  • Author(s): A. Nagakubo, S. Matsuda, H. Ogi, and M. Hirao
  • Organizer: 2014 IEEE International Ultrasonics Symposium
  • Place of Presentation: Hilton Hotel Chicago, Chicago, Illinois, USA
  • Year and Date: 2014-09-03 – 2014-09-06
• [Presentation] Acoustic properties of fluorine-doped silica-glass thin films at low temperatures (2013)
  • Author(s): A. Nagakubo, S. Masuda, S. Matsuda, H. Ogi, M. Hirao
  • Organizer: The 34th Symposium on Ultrasonic Electronics
  • Place of Presentation: 同志社大学(京都府)
  • Year and Date: 2013-11-21
• [Presentation] Measurement and Calculation of Elastic Constants of Boron Nitrides (2013)
  • Author(s): A. Nagakubo, H. Ogi, M. Hirao, H. Sumiya
  • Organizer: 2013 International Congress on Ultrasonics
  • Place of Presentation: Grand Copthorne Waterfront Hotel(シンガポール)
  • Year and Date: 2013-05-02
• [Presentation] Study of Phase Transition in SrTiO_3 Using Ultrasonic Attenuation at Sub-Terahertz Region (2012)
  • Author(s): 長久保白
  • Organizer: Quantitative Nondestructive Evaluation 2012
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Denver Tech Oenter(USA)
• [Presentation] 極低温域における圧電体・誘電体に対するサブTHz超音波の減衰計測 (2012)
  • Author(s): 長久保白
  • Organizer: 2012年秋季第73回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学(愛媛県)
• [Presentation] Sub-terahertz-frequency attenuation and sound velocity of GaN at Cryogenic Temperatures Studied by Picosecond Ultrasound Spectroscopy (2012)
  • Author(s): 長久保白
  • Organizer: The 33rd Symposium on Ultrasonic Electronics
  • Place of Presentation: 千葉大学(千葉県)