| Project/Area Number |
22K18308
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
保科 拓也 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80509399)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷口 博基 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (80422525)
安井 伸太郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40616687)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000)
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| Keywords | 蓄エネルギー / 誘電体 / 非線形材料 / セラミックス / カーボンニュートラル |
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| Outline of Research at the Start |
急激な加速を続けるエネルギー需要に応えるために蓄エネルギー材料の性能革新が必要不可欠である。その中でも蓄エネルギーセラミックスは、高温・高電圧下において優れた安全性と信頼性を有する材料として強く期待されている。本研究では酸素四面体を主要な構成要素とするABO3+nMO2系化合物に着目し、電場印加に伴って誘電率が増加するユニークな非線形誘電応答（逆バイアス効果）を示す新規物質系を開拓する。同化合物系における反強/フェリ誘電性のメカニズムの解明に取り組み、それによって得られる知見に基づいて、従来材料を凌駕する高蓄エネルギー密度と急速充放電性を共に備えた革新的な蓄エネルギーセラミックスを創製する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の急激な加速を続けるエネルギー需要に応えるために蓄エネルギー材料の性能革新が必要不可欠である。その中でも特に蓄エネルギーセラミックスは、高温・高電圧下において電気化学キャパシタや種々の電池と比較して圧倒的に優れた安全性と信頼性を有する材料として強く期待されている。本研究では酸素四面体を主要な構成要素とするABO3+nMO2系化合物に着目し、電場印加に伴って誘電率が増加するユニークな非線形誘電応答（逆バイアス効果）を示す新規物質系を開拓する。申請者らが近年発見したABO3+nMO2系化合物における反強/フェリ誘電性のメカニズムの解明に取り組み、それによって得られる知見に基づいて、従来の蓄エネルギーセラミックスを凌駕する高蓄エネルギー密度と急速充放電性を共に備えた革新的な新材料を創製する。
該当年度は、主に以下の成果を得た。①チタン石型化合物における網羅的なセラミックス試料作製と誘電/分極特性の温度依存性の評価に取り組み、SrTiGeO5において、150kV/cmの電場印加によって誘電率が約２倍にまで上昇するという顕著な逆バイアス効果を見出した。また、電圧印加によって上昇した誘電率が少なくとも300kV/cmまで減少せず一定の値を示すという、従来のペロブスカイト型反強誘電体と著しく異なるユニークな振る舞いを示すことを明らかにした。②KNbSi2O7単結晶のSiサイトの一部をGeで置換した際の結晶構造や分極特性の変化を明らかにした。また、適切な焼結助剤を見出し、焼成条件を最適化することによりこれまでは困難であった緻密なKNbSi2O7セラミックスの作製を実現した。
また、結晶構造解析、第一原理計算、分光測定などを相補的に駆使し、ABO3+nMO2系化合物が示すユニークな逆バイアス特性の起源の解明に向けた研究を実施している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
チタン石型化合物については網羅的な組成スクリーニングと試料合成、系統的な物性評価によって、優れた特性を備えた新しい反強誘電体を見出すに至っている。見出した物質系を軸として、元素置換による特性最適化と、より優れた物性を示す新組成の探索を継続することによって、当初の研究目標の達成が強く見込まれる。薄膜を利用した逆バイアス特性の評価については、合成の条件が最適化されていないために、当初計画より遅れている。一方、KNbSi2O7系化合物については、各イオンサイトが結晶構造や特性に与える影響が明らかになってきた。また緻密なセラミックスを作製するためのプロセス条件が明らかになってきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ABO3+nMO2系化合物の組成変化によって新たな反強/フェリ誘電体材料を探索するとともに、本研究で既に見出されている材料の反強/フェリ誘電性のメカニズムを解明するための研究を行う。特にSrTiGeO5における逆バイアス効果をさらに増強するための元素置換を網羅的に実施する。置換元素としては、Sr、Ti、Geサイトへの等価数元素の部分的置換をはじめとして、２種類の異価数元素の共置換に至るまでを高範囲に探索する。合成したセラミックス試料に関して、誘電/分極特性の系統的な評価を実施し、組成と物性の相関に関する知見を得る。また、SrTiGeO5および新たに見出される有望組成に関して単結晶試料を育成し、物性の異方性の精密評価を実施する。加えて、チタン石型化合物の高品質薄膜を作製することで、バルクでは印加できない高電圧領域における逆バイアス効果の評価を行っていく。一方、KNbSi2O7系化合物については、セラミックスで元素置換効果を検討し、絶縁破壊強度等も検討しながら、畜エネルギーセラミックスとしてのポテンシャルを評価していく。
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