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Development of Hyper Multipiezo Materials

Research Project

Project/Area Number 22H00269
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

徐 超男  東北大学, 工学研究科, 教授 (70235810)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 西堀 麻衣子  東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (20462848)
鄭 旭光  佐賀大学, 理工学部, 教授 (40236063)
藤尾 侑輝  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (90635799)
王 瑞平  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00358392)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥42,250,000 (Direct Cost: ¥32,500,000、Indirect Cost: ¥9,750,000)
Fiscal Year 2024: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000)
Fiscal Year 2023: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000)
Fiscal Year 2022: ¥14,690,000 (Direct Cost: ¥11,300,000、Indirect Cost: ¥3,390,000)
Keywords応力発光 / マルチピエゾ / センサ / IOT / 多元変換機能 / 圧電性 / 結晶構造 / 強誘電 / 発光 / 圧電 / 光機能
Outline of Research at the Start

申請者は強い応力発光性(Piezoluminescence)と圧電性(Piezoelectricity)を備えたマルチピエゾ(Multi-piezo)体を創出している。これは、僅かな機械応力でも高感度に発光し、新コンセプト機能として国際的に関心を集めている。本研究では、マルチピエゾに関するメカニズムの解明とさらなる高機能化について、実験と計算の両面からアプローチし、マルチピエゾフォトニクスの革新領域の開拓と進化を目指す。具体的には、1)力-電気-光の多元エネルギー変換プロセスの機構解明、2)巨大圧電と発光機能のマルチピエゾ体の実現、3)革新的ナノセンサとユビキタス光源の創製を実施する。

Outline of Annual Research Achievements

私たちは、強い応力発光性(Piezoluminescence)と圧電性(Piezoelectricity)を備えたマルチピエゾ(Multi-piezo)体を創出している。これは、僅かな機械応力でも高感度に発光し、力-電気-光の多元エネルギー変換する機能を有している。本研究では、マルチピエゾに関するメカニズムの解明とさらなる高機能化について、実験と計算の両面からアプローチし、マルチピエゾフォトニクスの革新領域の開拓と進化を目指している。まず、力-電気-光の多元エネルギー変換プロセスの機構解明、次に、巨大圧電と発光機能のマルチピエゾ体の実現。
今年度は、マルチピエゾの機構解明に関して、理論計算を通じて材料の探索を行い、結晶構造と電子構造に加えて、力学特性・圧電特性・強誘電・強磁性など各種物性を予測し、構造と物性の相関関係を検討することで、有望な多元変換可能なマルチピエゾ体の候補材料が得られた。
マルチピエゾの高機能化に関して、実験的に材料合成と材料の結晶構造と光物性を計測と解析を進め、材料組成・合成プロセス・構造・物性・機能を検討することで、高機能マルチピエゾ材料系を選定することができた。さらに多相境界において応力発光と応力記録の機能発現に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、構造と物性、特に機械的物性と応力発光の相関性を理論的に見出し、新たな高機能化材料設計指針を得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、理論と実験の相互フィードバックを活用し、理論計算で得られた有望な材料について、合成と各種物性解析・機能評価を進めていく。

Report

(2 results)
  • 2022 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (23 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 4 results) Remarks (3 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Journal Article] Synchrotron X-ray powder diffraction under high pressures up to 33 MPa for mechanoresponsive materials2023

    • Author(s)
      Kasai Hidetaka、Liu Jianqiao、Xu Chao-Nan、Nishibori Eiji
    • Journal Title

      Journal of Synchrotron Radiation

      Volume: 30 Issue: 3 Pages: 555-560

    • DOI

      10.1107/s160057752300108x

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Flexible Mechanoluminescent SrAl2O4:Eu Film with Tracking Performance of CFRP Fracture Phenomena2022

    • Author(s)
      Yuki Fujio, Chao-Nan Xu, Nao Terasaki
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 22 Issue: 15 Pages: 5476-5476

    • DOI

      10.3390/s22155476

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] New mode of stress sensing in multicolor (Ca1-Sr )8Mg3Al2Si7O28:Eu2+ solid-solution compounds2022

    • Author(s)
      Liu Shiqi、Liu Rong、Yang Xiuxia、Li Jun、Sun Mingzi、Xu Chao-Nan、Huang Bolong、Liang Yujun、Tu Dong
    • Journal Title

      Nano Energy

      Volume: 93 Pages: 106799-106799

    • DOI

      10.1016/j.nanoen.2021.106799

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 第一原理計算によるLixZn1-xOの圧電特性評価2023

    • Author(s)
      川名 惣一朗、平田 研二、藤尾 侑輝、徐 超男
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] LixZn1-xO:Nd3+におけるLiとNdの圧電特性に与える影響2023

    • Author(s)
      川名 惣一朗、平田 研二、藤尾 侑輝、徐 超男
    • Organizer
      第60回化学関連支部合同九州大会
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  • [Presentation] 第一原理計算によるLixZn1-xO:Nd3+における機械的特性の評価2023

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      川名 惣一朗、平田 研二、藤尾 侑輝、徐 超男
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      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
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  • [Presentation] (Li, Na)NbO3における応力記録機能の評価2023

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      内山 智貴、鄭 旭光、徐 超男
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      第43回電子材料研究討論会
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  • [Presentation] トラップ解析による応力発光機構の検討2023

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      林 正霄、内山 智貴、鄭 旭光、徐 超男
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      第43回電子材料研究討論会
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  • [Presentation] 第一原理計算を用いた応力発光体LixZn1-xO:Nd3+の機械的特性評価2023

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      川名 惣一朗、平田 研二、藤尾 侑輝、徐 超男
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      2023年日本セラミックス協会九州支部春季研究発表会
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  • [Presentation] Approaches to the new field of multi-piezo materials and systems2023

    • Author(s)
      Chao-Nan Xu
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      The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Discovery and Properties of Stress Recording Function in Multi-Piezo Material2023

    • Author(s)
      Tomoki Uchiyama, X.G. Zheng, C.N. Xu
    • Organizer
      The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ab Initio Calculation of Mechanical Properties in LixZn1-xO:Nd3+2023

    • Author(s)
      Soichiro Kawana, K. Hirata, Y. Fujio, T. Uchiyama, X.G. Zheng, C.N. Xu
    • Organizer
      The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] First-Principle Calculation of Piezoelectric Properties via Pr3+ Doping in Li1-xNaxNbO32023

    • Author(s)
      Feng Guan, K. Hirata, T. Uchiyama, X.G. Zheng, C.N. Xu
    • Organizer
      The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fundamental Lecture on Mechanoluminescence for SHM Applications2023

    • Author(s)
      Chao-Nan Xu
    • Organizer
      The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Application of Muon-Spin-Relaxation to Elasticoluminescence Materials2023

    • Author(s)
      X.G. Zheng, I. Yamauchi, Y. Ogata, C.N. Xu
    • Organizer
      The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Visualization of Strain Distribution Under Bright Environment by Using Near-Infrared Mechanoluminescence2023

    • Author(s)
      Y. Fujio, C.N. Xu, S. Kawana, N. Terasaki
    • Organizer
      The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Crystal Growth of SrAl2O4:Eu and Characterization2023

    • Author(s)
      Y. Ogata, I. Yamauchi, M. Maki, X.G. Zheng, C.N. Xu
    • Organizer
      The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 東北大学大学院工学研究科 材料システム工学専攻 多元変換機能システム学 徐研究室

    • URL

      https://tagenhenkan.material.tohoku.ac.jp/

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  • [Remarks] 研究成果を世界に問い続けるとともに、 社会に変革をもたらす革新的材料開発をめざしていきたい

    • URL

      https://www.material.tohoku.ac.jp/profile/profile_25/

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  • [Remarks] 光り輝く革新的変換材料で未来社会を照らす

    • URL

      https://alice.eng.tohoku.ac.jp/women/3119.html

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      2022 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 結晶化合物、結晶化合物の製造方法2023

    • Inventor(s)
      徐 超男、鄭 旭光、内山 智貴、西堀 英治
    • Industrial Property Rights Holder
      東北大学、筑波大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-217479
    • Filing Date
      2023
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 応力記録材料、応力記録構造、応力記録体、応力記録体形成剤、応力記録塗膜形成塗料、応力記録方法及び応力記録システム2022

    • Inventor(s)
      徐 超男
    • 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
    • Patent Publication Number
      2023-127388
    • Filing Date
      2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Funded Workshop] The 4th International Conference on Mechanoluminescence and Novel Structural Health Diagnosis (ML-4)2023

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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