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Development and systematization of highly-oriented layered chalcogenide piezoelectric thin films for batter-less IoT sensors

Research Project

Project/Area Number 22KJ0244
Project/Area Number (Other) 22J11549 (2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022)
Section国内
Review Section Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

王 吟麗  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords半導体薄膜 / ピエゾ抵抗効果 / 圧力センサ / 機構解明 / 層状カルコゲナイド薄膜 / 圧抵抗効果 / 圧電効果 / IoTデバイス
Outline of Research at the Start

本研究の概要は,近未来“Society 5.0”のIoTデバイス,ロボット用小型センサ,高性能発電装置,ウイルスセンサなどに応用可能な圧電薄膜を開発し,各物性およびデバイス性能を解明するものである.スパッタリング成膜を用いて高性能な層状カルコゲナイド系圧電薄膜を創成し,その圧電システム化により電池レスIoTセンサの実現を行う研究である.

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、スパッタリング成膜を用いて高性能な層状カルコゲナイド系薄膜を創成し,独自の力学・電気特性測定システムを構築して,Cr-Ge-Te系薄膜におけるピエゾ抵抗効果を評価した.その結果,アモルファスCr-Ge-Te薄膜のゲージ率(ピエゾ抵抗効果の性能を表す定数)は60000以上であり,一般的な半導体よりも2オーダ以上高い巨大なピエゾ抵抗効果を示すことを世界に先駆けて発見した.CrGTアモルファス相は他の相変化材料と比べてユニークな性質(低電気抵抗や高耐熱性)を示すが,これはCrクラスタがアモルファス相中に内在する事に起因することを突き止めた.このため,応力(ひずみ)負荷・除荷による金属クラスタの崩壊・再生により巨大ピエゾ抵抗が発現するのではないかと仮説を立てた.このことを実証してメカニズムを解明するため,薄膜を引張ながら各種電気特性評価が可能な機械-電気評価システムを構築し,引張負荷下においてXRD,ラマン分光,XAFS,顕微鏡表面観察などの評価を行い,力学場による半導体薄膜の局所結晶構造変化と形態変化を評価した.変形下XAFS測定によりCr近傍原子との配位数および原子間距離を分析した結果,当初の予測とは異なり,Crクラスタ等の局所結晶構造変化が巨大抵抗変化に及ぼす影響は小さいことを明らかにした.一方,変形下表面観察により,引張負荷によるき裂の発生と進展が巨大抵抗変化の主要因であることを解明した.従来は機能材料におけるき裂の発生や進展は機能を阻害するものと考えられていた.本結果は,き裂の発生と進展を利用することによって,既往の材料の限界を超えた巨大な抵抗変化が実現できることを示した.すなわち,き裂発生・進展という力学現象を利用することで,機械-電気マルチフィジックス特性を劇的に向上できることを示した.

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Thermally-induced nanoscale phase change in chalcogenide glass Cr2Ge2Te6 revealed by scanning tunneling microscopy2024

    • Author(s)
      Dang-il Kim, Mizuki Kawaji, Hiroki Sato, Ryota Kawamura, Ryo Tamaki, Satoshi Kusaba, Yinli Wang, Yi Shuang, Yuji Sutou, Ikufumi Katayama and Jun Takeda
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 63 Issue: 1 Pages: 0155504-0155504

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad13a7

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] NbTe<sub>4</sub> Phase‐Change Material: Breaking the Phase‐Change Temperature Balance in 2D Van der Waals Transition‐Metal Binary Chalcogenide2023

    • Author(s)
      Shuang Yi、Chen Qian、Kim Mihyeon、Wang Yinli、Saito Yuta、Hatayama Shogo、Fons Paul、Ando Daisuke、Kubo Momoji、Sutou Yuji
    • Journal Title

      Advanced Materials

      Volume: 35 Issue: 39 Pages: 2303646-2303646

    • DOI

      10.1002/adma.202303646

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 機械学習の複合材料分野への応用2023

    • Author(s)
      栗田 大樹,菅沼 雅徳,王 吟麗
    • Journal Title

      日本複合材料学会誌

      Volume: 49 Pages: 26-30

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Application of deep neural network learning in composites design2022

    • Author(s)
      Y. Wang, C. Soutis, D. Ando, Y. Sutou and F. Narita
    • Journal Title

      European Journal of Materials

      Volume: 2 Issue: 1 Pages: 117-170

    • DOI

      10.1080/26889277.2022.2053302

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Thermal stress control of the polymorphic transformation in MnTe semiconductor films2022

    • Author(s)
      Shunsuke Mori, Yinli Wang, Daisuke Ando, Fumio Narita, Yuji Sutou
    • Journal Title

      Materialia

      Volume: 24 Pages: 101493-101493

    • DOI

      10.1016/j.mtla.2022.101493

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Self-Powered Wearable Piezoelectric Monitoring of Human Motion and Physiological Signals for the Postpandemic Era: A Review, Advanced Materials Technologies2022

    • Author(s)
      ③Y. Wang, Y. Yu, X. Wei and F. Narita
    • Journal Title

      Advanced Materials Technologies

      Volume: 7 Issue: 12 Pages: 2200318-2200318

    • DOI

      10.1002/admt.202200318

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] The influence of chromium content on resistance changes as a function of strain in Cr2Ge2Te6 thin film2024

    • Author(s)
      Yinli Wang*, Yi Shuang, Mihyeon Kim, Daisuke Ando, Fumio Narita, and Yuji Sutou
    • Organizer
      the Minerals, Metals & Materials Society (TMS 2024)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Piezoresistive effect of Cr2Ge2Te6 crystalline film during tensile test2023

    • Author(s)
      Yinli Wang*, Yi Shuang, Mayu Nakajima, Daisuke Ando, Fumio Narita, Yuji Sutou
    • Organizer
      日本金属学会2023年春期(第172回)講演大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Electrical response in Cr2Ge2Te6 film under tensile force2023

    • Author(s)
      Yinli Wang*, Yi Shuang, Mihyeon Kim, Daisuke Ando, Fumio Narita, and Yuji Sutou
    • Organizer
      The 35th Symposium on Phase Change Oriented Science (PCOS2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Resistance change as a function of strain in Cr2Ge2Te6 amorphous thin film on polyimide substrate2023

    • Author(s)
      Yinli Wang*, Yi Shuang, Mayu Nakajima, Daisuke Ando, Fumio Narita, and Yuji Sutou
    • Organizer
      The European Phase Change and Ovonic Symposium (E/PCOS2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cr2Ge2Te6薄膜のピエゾレジスティブ特性2023

    • Author(s)
      王 吟麗, 双 逸, 中嶋 真優, 安藤 大輔, 成田 史生, 須藤 祐司
    • Organizer
      日本金属年次大会2023春季
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Cr2Ge2Te6薄膜のピエゾレジスティブ特性2022

    • Author(s)
      王 吟麗, 双 逸, 中嶋 真優, 安藤 大輔, 成田 史生, 須藤 祐司
    • Organizer
      日本金属年次大会2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ピエゾレジスティブ圧力センサに向けたCr2Ge2Te6薄膜の評価2022

    • Author(s)
      王 吟麗, 双 逸, 中嶋 真優, 安藤 大輔, 成田 史生, 須藤 祐司
    • Organizer
      2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Evaluating piezoresistive property of Cr2Ge2Te6 film2022

    • Author(s)
      王 吟麗, 双 逸, 中嶋 真優, 安藤 大輔, 成田 史生, 須藤 祐司
    • Organizer
      PCOS2022相変化研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2022-04-28   Modified: 2024-12-25  

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