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PZTナノロッドの分極のソフト化による巨大圧電応答の実現と非鉛材料への展開

Research Project

Project/Area Number 19J21955
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

岡本 一輝  名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2019-04-25 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords強誘電体 / 圧電体 / ナノ構造 / サイズ効果
Outline of Research at the Start

本研究では、強誘電体ナノロッドにおいて脱分極電界による分極回転の容易化を実現し、巨大圧電応答の発現メカニズムを実証する。具体的には
・Pb(Zr,Ti)O3(PZT)ナノロッドを用いて、脱分極電界によりもたらされる分極回転の容易化について実証を行う。脱分極電界を電荷遮蔽の観点から制御し、圧電応答へ及ぼす影響を解明する。
・異なる晶系や配向でも、脱分極電界により分極回転の容易化が起こることを検証する。
・非鉛強誘電体(K,Na)NbO3(KNN)ナノロッドにおいても同様のメカニズムが適用でき、圧電特性が向上することを検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、強誘電体ナノロッドにおいて脱分極電界による分極のソフト化を用いた巨大圧電応答の発現メカニズムの実証することである。
最終年度となる令和3年度は、パルスレーザー堆積(PLD)法で自己組織化成長させたチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)ナノロッドの電場下でその場観察した結果の解析を行った。放射光X線回折により観察したPZTナノロッドの格子面間隔の変化を測定周波数やパルス電圧の時間幅依存性について解析した。主な測定条件は以下に示す3条件である。
(1) 直流(DC)電圧を印加、(2) 5~200 μsの時間幅のパルス電圧を1 ms周期で印加、(3) 200 ns の時間幅のパルス電圧を800 ns周期で印加。
以上の時間分解X線回折測定の結果よりPZTナノロッドでの大きな圧電特性の向上をもたらす要因には時間依存性があり、分極の大小変化だけでは説明できないことが明らかになった。これより熱力学現象論モデルにより予測された結果と同様に、大きな圧電応答をもたらす要因は分極回転であることが示唆的である。また、本研究で提案するナノロッド作製手法を同じ非鉛ペロブスカイト型酸化物である(K, Na)NbO3(KNN)に適用することでKNNナノロッドを作製できることを明らかにした。本ナノロッド作製手法は材料の構成元素に依存しない普遍的な手法として適用できることを示している。
このように研究結果は脱分極電界による分極のソフト化が巨大圧電応答を誘起する要因であることを示唆している。本研究課題の目的を達成できたと考えている。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Czech Academy of Sciences(チェコ)

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Journal Article] Enhanced intrinsic piezoelectric response in (001)-epitaxial single c-domain Pb(Zr,Ti)O3 nanorods2020

    • Author(s)
      Okamoto Kazuki、Yamada Tomoaki、Nakamura Kentaro、Takana Hidenori、Sakata Osami、Phillips Mick、Kiguchi Takanori、Yoshino Masahito、Funakubo Hiroshi、Nagasaki Takanori
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 117 Issue: 4 Pages: 042905-042905

    • DOI

      10.1063/5.0012998

    • NAID

      120006941030

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhanced figure of merit in Pb(Zr,Ti)O3 nanorods for piezoelectric energy harvesting2020

    • Author(s)
      Song Jundong、Yamada Tomoaki、Okamoto Kazuki、Yoshino Masahito、Nagasaki Takanori
    • Journal Title

      AIP Advances

      Volume: 10 Issue: 10 Pages: 105101-105101

    • DOI

      10.1063/5.0023937

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 正方晶Pb(Zr,Ti)O3(111)ナノロッドにおける圧電応答増大メカニズムの実験・理論的検証2021

    • Author(s)
      岡本 一輝, 山田 智明, 吉野 正人, 長崎 正雅
    • Organizer
      強誘電体会議FMA-38
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Size Dependence of Piezoelectric Response in (111)-oriented Tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 Nanorods2019

    • Author(s)
      K. Okamoto, T. Yamada, O. Sakata, M. Yoshino, and T. Nagasaki
    • Organizer
      The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report

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Published: 2019-05-29   Modified: 2024-03-26  

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