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テラヘルツ分光エリプソメータを用いた6G用低損失誘電材料の測定と開発

Research Project

Project/Area Number 23K21038
Project/Area Number (Other) 21H01619 (2021-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
Research InstitutionInstitute of Science Tokyo

Principal Investigator

保科 拓也  東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (80509399)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Keywordsテラヘルツ / 6G / 誘電体 / 誘電損失 / エリプソメトリ
Outline of Research at the Start

第6世代移動体通信システム(6G)を構築するにあたり周波数フィルタ用の低損失誘電体材料が必要であるが、6Gの周波数帯域で利用できる適切な材料は未だ見出されていない。本研究では、独自技術であるテラヘルツ分光エリプソメータシステムを用いて、6Gのフィルタ材料として応用が期待される無機多結晶、ガラス、コンポジット、結晶化ガラスの複素誘電率を広い周波数帯域で測定する。また、分子動力学シミュレーション等を活用することにより100GHz帯での誘電率・誘電損失の起源を定量的に明らかにする。最終的には、誘電率の温度依存性、焼結性なども考慮して、6Gの高周波フィルタ材料として有力な候補材料を提案する。

Outline of Annual Research Achievements

第6世代移動体通信システム「6G」は様々な社会問題の解決や新たな価値の創出に利用されるであろう未来技術である。6Gを構築するにあたり高周波フィルタ用の低損失誘電体材料が必要であるが、6Gの周波数帯域(100 GHz超の帯域)で利用できる適切な材料は未だ見出されていない。本研究では、独自技術であるテラヘルツ分光エリプソメータシステムを用いて、6Gの高周波フィルタ材料として応用が期待される結晶、ガラス、コンポジット、結晶化ガラスの複素誘電率を広い周波数帯域で測定する。また、100 GHz帯での誘電率・誘電損失の起源を定量的に明らかにする。
該当年度は前年度に引き続き、テラヘルツ分光エリプソメータシステムを用いて様々な材料の複素誘電率を測定し、6Gの周波数帯域で利用できるような誘電体材料の探索を行った。特に、トリルチル型化合物の多結晶体(セラミックス)では、元素置換によりルチル型構造に近付けるような材料設計を行うと、誘電率の温度係数をゼロに近付けることが可能であることがわかった。また、第一原理フォノン計算や計測したTHz誘電スペクトルの解析により、誘電率の温度係数がゼロに近づく原因を明らかにした。誘電損失も同時に低減可能であることから、高周波向け誘電材料として有望であることを見出した。また、無機フィラーを分散させたポリマーコンポジット材料のTHz誘電スペクトルを測定し、THz帯では無機フィラーの粒径等がコンポジットの誘電率に影響し、コンポジットで一般に適用されるような混合則で説明できないことが明らかになった。今後、誘電特性の起源を明らかにしていくことが重要である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

独自のシステムを用いてテラヘルツ帯域の誘電特性評価を行い、様々な結晶質材料やコンポジット材料の誘電メカニズムについて新しい知見を得ている。誘電率の温度係数の小さな材料や低損失誘電体材料の候補を特性の起源と共に具体的に示すこともできており、研究計画は順調に進展していると判断される。

Strategy for Future Research Activity

既にガラス系の材料に関しては、ガラス構造とTHz帯の誘電特性の関係を明らかにしつつある。また、ルチル型のTiO2結晶を析出させた結晶化ガラスにおいて、TiO2結晶の析出量を変化させることによって誘電率の温度係数を制御できることが明らかになっている。この材料を用いて、マイクロストリップライン型の周波数フィルタを試作し、候補材料の有用性を示す。
一方、無機多結晶(セラミックス)やセラミックスポリマーコンポジットを用いた低損失材料の開発にも引き続き取り組む。特にコンポジット材料では、フィラー材料の誘電率、粒径、微構造等で全体の誘電率を制御できるため、それらの起源解明とともに、誘電率の温度依存性や機械的性質等の観点で優れた6G向けの材料を提案する。得られた成果は、国内外の学会、国際論文誌等で報告する予定である。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Dielectric response and polarization mechanism of alkali silicate glasses in gigahertz to terahertz frequency range2023

    • Author(s)
      Kazuki Kanehara, Shingo Urata, Sou Yasuhara, Takaaki Tsurumi, Takuya Hoshina
    • Journal Title

      Journal of the American Ceramic Society

      Volume: 106 Issue: 9 Pages: 5341-5350

    • DOI

      10.1111/jace.19189

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dielectric property and polarization mechanism of sodium silicate glass in GHz-THz range2022

    • Author(s)
      Kanehara Kazuki, Urata Shingo, Yasuhara Sou, Tsurumi Takaaki, Hoshina Takuya
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 61 Issue: SN Pages: SN1001-SN1001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac7b0f

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 広帯域誘電スペクトロスコピーによる誘電分極機構の解明2024

    • Author(s)
      保科拓也
    • Organizer
      日本セラミックス協会2024年年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 高周波フィルタ開発に向けたガラス材料の誘電率温度変化率の低減2023

    • Author(s)
      金原 一樹, 庭野 和彦, 安原 颯, 鶴見 敬章, 保科 拓也
    • Organizer
      第40回強誘電体会議
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Terahertz Spectroscopy of Dielectric Materials for 6G Applications2023

    • Author(s)
      Takuya Hoshina
    • Organizer
      2023 IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高周波領域におけるガラス材料の誘電特性2022

    • Author(s)
      金原一樹、浦田慎吾、安原颯、鶴見敬章、保科拓也
    • Organizer
      第39回強誘電体会議
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Dielectric response of glass in the GHz-THz frequency region2022

    • Author(s)
      Kazuki Kanehara, Shingo Urata, Sou Yasuhara, Takaaki Tsurumi, Takuya Hoshina
    • Organizer
      26th International Congress on Glass
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Elucidation of Dielectric Polarization Mechanism Using THz Spectroscopy2022

    • Author(s)
      Takuya Hoshina
    • Organizer
      MS&T22
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] GHz-THz帯におけるアルカリシリケートガラスの誘電特性2022

    • Author(s)
      金原一樹、浦田慎吾、安原颯、鶴見敬章、保科拓也
    • Organizer
      第42回電子材料研究討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Understanding of Dielectric Polarization Mechanisms Using THz Spectroscopy2021

    • Author(s)
      Takuya Hoshina
    • Organizer
      The 13th China-Japan Symposium on Ferroelectric Materials and Their Applications
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] AgやTaで置換したKNbSi2O7の強誘電特性2021

    • Author(s)
      保科拓也, 菅幸生, 大沼美穂, 武田博明, 鶴見敬章
    • Organizer
      第38回強誘電体会議
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication and Dielectric Properties of N-doped BaTiO3 Single Crystals2021

    • Author(s)
      Takuya Hoshina, Takahiro Yamada, Shicheng Peng, Sou Yasuhara, Takaaki Tsurumi
    • Organizer
      International Conference on Mixed-Anion Compounds
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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