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Effective development of dielectric nanocube monolayer films for next-generation capacitors

Research Project

Project/Area Number 20H02446
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

Mimura Ken-ichi  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20709555)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 板坂 浩樹  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究員 (30816468)
安井 久一  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (30277842)
劉 崢  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 上級主任研究員 (80333904)
高田 瑶子  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (00805640)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000)
Keywordsチタン酸バリウム / ナノ材料 / 高誘電率材料 / 自己集積 / 薄膜 / ナノキューブ / 超薄膜コンデンサ / 規則配列集積膜 / グラフェン電極 / ナノ結晶 / 自己組織化 / 界面制御 / 規則配列集積
Outline of Research at the Start

ウェアラブルデバイスの次世代として、埋め込み型デバイス(インプランタブルデバイス)の開発が期待されており、それらを構成する素子の小型・大容量化・高信頼性が強く求められている。本研究では、デバイスの回路設計に欠かせないコンデンサの超小型かつ大容量化に着目し、強誘電体材料であるチタン酸バリウムナノキューブ単層膜の誘電特性の解明とともに、計算科学を用いた高効率なナノキューブ界面構造の設計を行うことにより、膜厚15 nmのナノキューブ単層膜において高誘電率を実現する次世代超薄膜コンデンサ用のナノ材料開発を行う。

Outline of Final Research Achievements

We have developed novel nanomaterials for devices that exhibit discontinuous dielectric properties by using computational science to assist in the design of interface structures as well as the elucidation of the properties of barium titanate nanocube monolayers, which are expected to have high dielectric properties. Computational studies have shown that the interface formation of barium titanate nanocubes may have a flexoelectric effect, in which electric polarization occurs in proportion to the strain gradient, as well as ferroelectricity. The use of graphene as an electrode enhances the insulating property of the monolayer film of nanocubes. These results show the possibility of next-generation ultra-compact high-dielectric-constant capacitors.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ウェアラブルデバイスの次世代として、埋め込み型デバイス(インプランタブルデバイス)の開発が期待されており、それらを構成する素子の小型・大容量化・高信頼性が強く求められている。本研究成果は、計算科学を用いた強誘電体材料であるチタン酸バリウムナノキューブ単層膜の誘電特性の解明とともに、膜厚15 nmのナノキューブ単層膜において高誘電率を実現する次世代超薄膜コンデンサ用のナノ材料開発の設計指針が示され、今後のデバイスの回路設計に必要なコンデンサの超小型かつ大容量化の可能性が広がった。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Critical Roles of Impurities and Imperfections in Various Phases of Materials2023

    • Author(s)
      Yasui Kyuichi
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 16 Issue: 4 Pages: 1612-1612

    • DOI

      10.3390/ma16041612

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Ferroelectric properties of BaTiO3 nanocube self-assembled monolayers: an investigation using piezoresponse force microscopy2022

    • Author(s)
      Itasaka Hiroki、Mimura Ken-ichi、Yasui Kyuichi、Hamamoto Koichi、Kato Kazumi
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 15 Issue: 9 Pages: 095002-095002

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac8969

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Coexistence of Flexo- and Ferro-Electric Effects in an Ordered Assembly of BaTiO3 Nanocubes2022

    • Author(s)
      Kyuichi Yasui, Hiroki Itasaka, Ken-ichi Mimura, Kazumi Kato
    • Journal Title

      nanomaterials

      Volume: 12 Issue: 2 Pages: 188-188

    • DOI

      10.3390/nano12020188

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] BaTiO3ナノキューブ集積体におけるフレクソエレクトリックと強誘電効果の併存2023

    • Author(s)
      安井久一、板坂浩樹、三村憲一、加藤一実
    • Organizer
      日本セラミックス協会 2023年年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 誘電体ナノキューブ単層膜の自己組織集積と超薄層キャパシタの開発2022

    • Author(s)
      板坂浩樹
    • Organizer
      第73回コロイド及び界面化学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] グラフェンバリア層を用いたBaTiO3ナノキューブ単層キャパシタ構造の開発2021

    • Author(s)
      板坂浩樹、劉崢、三村憲一、濱本孝一、加藤一実
    • Organizer
      日本セラミックス協会 第34回秋季シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ナノクリスタルを用いた規則配列集積薄膜コーティング技術の開発2021

    • Author(s)
      三村憲一
    • Organizer
      日本セラミックス協会・セラミックコーティング研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Hydrothermal synthesis of BaTiO3-based nanocubes for dielectric applications2021

    • Author(s)
      Ken-ichi Mimura, Zheng Liu, Hiroki Itasaka, Kazumi Kato
    • Organizer
      14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 14)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Metal/graphene electrodes for parallel-plate capacitor structures containing BaTiO3 nanocube ordered assemblies2021

    • Author(s)
      Hiroki Itasaka, Zheng Liu, Ken-ichi Mimura, Kazumi Kato
    • Organizer
      14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM 14)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Patent(Industrial Property Rights)] セラミックコンデンサ及びその製造方法2020

    • Inventor(s)
      板坂 浩樹、三村 憲一、劉 崢、加藤 一実
    • Industrial Property Rights Holder
      国立研究開発法人産業技術総合研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2020-115499
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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