| Project/Area Number |
20K15024
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
木村 耕治 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20772875)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Discontinued (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | 蛍光X線ホログラフィー / 鉛フリー圧電材料 / 圧電材料 / 蛍光Ｘ線ホログラフィー / 放射光Ｘ線 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、鉛フリー圧電体 (Ba, Ca)(Zr, Ti)O3 (BCZT)の高い圧電性能の起源を原子レベルで解明する。BCZTは、強誘電体BaTiO3のBa及びTiをそれぞれ、CaとZrで部分置換することで得られることから、CaとZrが重要な役割を果たしていると考えられる。それらの役割を蛍光Ｘ線ホログラフィーによる元素別３次元分極構造観察によって詳細に調べる。特に、単結晶しか測定例がない本手法に対し、多結晶体へ適用可能な世界初の装置を構築した上で、電圧印加その場測定に挑戦する。母材のBaTiO3には無い特異な電場応答が期待され、高い性能の発現メカニズム解明に直結すると考えている。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は鉛フリー圧電体(Ba,Ca)(Zr,Ti)O3の高い圧電性能の起源を原子レベルで解明することを目的としている。そのために、特定元素周りの３次元原子配列を可視化できる蛍光X線ホログラフィー(XFH)を実施した。
まず、BaTiO3にCaを添加した(Ba0.9Ca0.1)TiO3の単結晶を準備し、XFHによってBa及びCa周りの局所構造観測を行った。得られた結果からBa周りの原子像は等方的な形状をしていたのに対し、Ca周りでは原子像が特定の方向に伸びた形状をとることが分かった。これはCaイオンが大きくシフトしていることを示している。原子像形状を詳細に解析することで、Caイオン及び周囲の原子の変位の定量評価まで行うことができた。この変位は、CaイオンがはBaイオンよりも半径が小さく周囲に隙間が生じることに起因し、圧電性能向上の要因であると考えられる。
次に、Zrを微量に添加した(Ba0.798Ca0.202)(Zr0.006Ti0.994)O3単結晶のXFH測定を実施しZr周りの局所構造を観測した。その結果、Zrに最も近いカチオンであるCaやBaはZrから離れる方向に変位する一方、一つ離れたカチオンであるTiはZrに近づく方向に変位することが分かった。Zrは母材のTiよりもイオン半径が大きいため、周辺の格子を押し広げ、その結果生じたスペースを利用してTiイオンが変位したと推察される。このような変位も圧電性能向上に寄与していると考えられる。
さらに、Zrをより多く添加した試料についてはXFHで必要となる単結晶の育成が難しいことから、SPring-8の提供するマイクロビームX線を多結晶中の結晶粒に照射し単結晶と同等のデータを得ることを試みた。その結果、単結晶に特有のコッセル線と呼ばれるバターンを確認し、多結晶のXFH測定の道筋をつけることができた。
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