分極スキルミオンの創製と駆動制御

• Project/Area Number: 22K18295
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 山田 智明 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (80509349)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2025: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2024: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
• Keywords: 強誘電体 / 分極 / スキルミオン

Outline of Research at the Start

近年、トポロジカル絶縁体や磁気スキルミオンといった、トポロジーに守られた物質の創製と物性に注目が集まっている。これらは電子や磁気に関するものだが、同じアナロジーが適用され得る分極については、ほとんど開拓されていない。そこで本研究では、常誘電体に挟まれた強誘電体超薄膜に発現する微小な渦状分極に着目し、分極スキルミオンの創製とその駆動制御を目指す。具体的には、強誘電体超薄膜の電気的・機械的境界条件の制御による分極スキルミオンの形成と、電場が分極スキルミオンに与える影響の解明、およびそれを用いた駆動制御に取り組む。

Outline of Annual Research Achievements

近年、トポロジカル絶縁体や磁気スキルミオンといった、トポロジーに守られた物質の創製と物性に大きな注目が集まっている。これらは電子や磁気に関するものだが、同じアナロジーが適用され得る分極については、ほとんど開拓されていない。そこで、本研究では、常誘電体に挟まれた強誘電体超薄膜に発現する微小な渦状分極に着目し、分極スキルミオンの創製とその駆動制御を目指す。具体的には、強誘電体超薄膜の電気的・機械的境界条件の制御による分極スキルミオンの形成と、電場が分極スキルミオンに与える影響の解明、およびそれを用いた駆動制御に取り組む。
R5年度は、R4年度から引き続き、電場が分極スキルミオンに与える影響の解明に取り組んだ。薄膜表面に櫛形の対向電極を設計・作製して、電場-分極特性を調べた結果、膜面に平行な電場（水平電場）の掃引によって優位に大きな残留分極を有するヒステリシスが観測されたことから、水平電場の印加によってスキルミオンが崩壊してa1/a2ドメインに容易に移行する可能性が示唆された。一方で、R4年度の研究結果から、垂直電場ではスキルミオンドメインの分極再配向が可逆的に起こることが示唆されており、これらの結果を総合すると、水平電場を用いたスキルミオンの駆動制御は、スキルミオンが崩壊しない範囲の小電場（10 kV/cm以下）で行う必要があることがわかった。また、今後のスキルミオンの駆動制御に向けて、強誘電体超薄膜として、これまでの(PbxSr1-x)TiO3 (PST) x=0.9に加えて、渦分極の報告例が多くあるPST x=1を用いることとし、DyScO3基板上にSrRuO3下部電極層を堆積して、その上にこれらの超格子薄膜を作製した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の計画通り、R5年度は電場が分極スキルミオンに与える影響の解明を進めた。薄膜表面への櫛形対向電極の作製と、これを用いた水平電場下における分極特性の評価、垂直電場との比較など、概ね計画通りである。水平電場印加時の圧電応答顕微鏡を用いたドメイン評価は完了していないが、水平電場を用いたスキルミオンの駆動制御における電場印加範囲を特定したほか、今後のスキルミオンの駆動制御に向けて、異なるPb/Sr比のPST膜の作製を行うなど、概ね計画通りに順調に進展している状況にある。

Strategy for Future Research Activity

R6年度は、引き続き電場が分極スキルミオンに与える影響の解明に取り組むほか、これまでに得られた知見を利用して、対向電極と圧電応答顕微鏡を併用したスキルミオンの駆動制御に注力する予定である。前者については、水平電場によってドメインがどのように変化するかを圧電応答顕微鏡を用いて評価する。後者については、対向電極を用いた水平電場の印加と、圧電応答顕微鏡のプローブを用いた局所電場の印加を組み合わせることで、駆動制御を試みる。具体的には、電極間に印加する電界でポーリングを行い、プローブを通して印加する電界で局所的なドメインの制御を行う。これにより、分極スキルミオンの電場駆動制御に向けた基礎的設計指針を確立する。

Research Products

• [Journal Article] Novel Route for Enhancing Piezoelectricity of Ferroelectric Films: Controlling Nontrivial Polarization States in Pb(Zr, Ti)O3 Monodomain Superlattice Structure (2024)
  • Author(s): Song Jundong、Ebihara Youhei、Yudin Petr、Sakata Osami、Morioka Hitoshi、Kiguchi Takanori、Kondo Shinya、Yuan Xueyou、Okamura Soichiro、Yoshino Masahito、Nagasaki Takanori、Yamada Tomoaki
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 16 Issue: 13 Pages: 16145-16151
  • DOI: 10.1021/acsami.3c18721
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Extraordinarily Large Contribution Ratio of Ferroelastic Domain Switching to Piezoresponse in Monoclinic (K, Na)NbO3 Films (2023)
  • Author(s): Yuan Xueyou、Okamoto Kazuki、Kawano Mitsuki、Yoshino Masahito、Nagasaki Takanori、Imai Yasuhiko、Sakata Osami、Yamada Tomoaki
  • Journal Title: Advanced Electronic Materials Volume: 10 Issue: 1
  • DOI: 10.1002/aelm.202300405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamic Electrical Response of Vortex Polarization in (Pb0.9Sr0.1)TiO3/SrTiO3 Artificial Superlattice Thin Films (2022)
  • Author(s): J. Song, Y. Iguchi, K. Okamoto, O. Sakata, M. Yoshino, T. Nagasaki, and T. Yamada
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 121 Issue: 17
  • DOI: 10.1063/5.0117302
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 強誘電体ナノスケール構造に特異な分極とその電場応答 (2024)
  • Author(s): 山田 智明
  • Organizer: 強的秩序とその操作に関わる第18回講演会
  • Invited
• [Presentation] Electro-optic Effect of Ferroelectric Thin Films: Strain Engineering and Exploration of Emerging Materials (2024)
  • Author(s): T. Yamada, S. Kondo, X. Yuan, H. Funakubo, L. Meng, and T. Nagasaki
  • Organizer: International Conference on Advanced Functional Materials and Devices 2024 (AFMD2024)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 強誘電体薄膜の圧電特性向上に向けた下部電極層(Ba,Sr)RuO3の格子定数制御 (2023)
  • Author(s): 中條 凪, 川出 航平, 吉野 正人, 長崎 正雅, 山田 智明
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 引張歪み(PbxSr1-x)TiO3極薄膜の特異なドメイン構造と相転移 (2023)
  • Author(s): 山田 智明 , X. Yuan, 太田 悠登, 清水 荘雄, 岡本 一輝, 吉野 正人, 舟窪 浩, 長崎 正
  • Organizer: 日本セラミックス協会第36回秋季シンポジウム
• [Presentation] (Ba,Sr)RuO3下部電極層の導入によるSi基板上の(K,Na)NbO3薄膜の圧電特性制御 (2023)
  • Author(s): 中條 凪, 川出 航平, 吉野 正人, 長崎 正雅, 田中 清高, 神野 伊策, 山田 智明
  • Organizer: 第43回電子材料研究討論会
• [Presentation] 水溶性犠牲層を用いたSrTiO3 (001)基板上エピタキシャルPb(Zr,Ti)O3膜の剥離 (2022)
  • Author(s): 高橋 和大, 吉野 正人, 長崎 正雅, 安井 伸太郎, 安原 颯, 山田 智明
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 放射光時間分解XRDによる強誘電体ナノ構造の電場応答の解明と制御 (2022)
  • Author(s): 山田 智明, 舟窪 浩, 坂田 修身
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] （2022 年度学術賞受賞講演）誘電体薄膜及びナノ構造の成長技術の開発と特性制御に関する研究 (2022)
  • Author(s): 山田 智明
  • Organizer: 日本セラミックス協会2023年年会
  • Invited
• [Presentation] Domain Structure Evolution in Tensile-strained (PbxSr1-x)TiO3 Thin Films below 50 nm Thickness (2022)
  • Author(s): T. Yamada, Y. Ota, X. Yuan, D. Ichinose, Y. Ehara, T. Shimizu, M. Yoshino, H. Funakubo, and T. Nagasaki
  • Organizer: 15th International Symposium on Ferroic Domains & Micro- to Nano-scopic Structures (ISFD-15)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 山田研究室(エネルギー機能材料工学G)
  • URL: https://enemat.energy.nagoya-u.ac.jp/
• [Remarks] 長崎・山田研究室（エネルギー機能材料工学G）
  • URL: https://enemat.energy.nagoya-u.ac.jp/