電場によって誘起されるドメイン界面の解明とそれを用いた機能発現

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 20H05185
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 清水 荘雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 独立研究者 (60707587)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 強誘電体 / 圧電体 / ドメインスイッチング / 電場誘起相転移 / 電場誘起ドメインスイッチング / ドメイン界面

Outline of Research at the Start

強誘電体の圧電性や分極反転といった機能を発現するものとして、強誘電体を構成する相や異なる分極軸を持つ領域（併せてドメインと呼称する）の界面に注目して研究を行う。現実の圧電材料の電気機械特性を決定する要因として、結晶軸が電場によって異なる方向へ回転するようなドメインスイッチング（ドメイン界面の移動）は主要な役割を果たしているが、このようなドメイン構造は電圧印加処理によって大きく変化することがわかってきた。本研究では、この電場によって活性化されるドメイン構造について、どのように相互が接合しているか、電場に対してどのように応答するのかを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

2年目にあたる2021年度は、(1)PbTiO3薄膜におけるドメイン構造、(2)非鉛圧電体におけるドメイン構造変化(3)HfO2基強誘電体における電場誘起相転移に関して研究を行った。
(1) PbTiO3薄膜におけるドメイン構造については、SiおよびKTaO3基板上のPbTiO3エピタキシャル膜に関してドメイン構造を検討した。熱膨張率の小さなSi上の薄膜においては、電場誘起ドメインスイッチングを用いた巨大圧電応答が発現することがわかっている。SiとPbTiO3に挟まれたSrTiO3バッファ層の影響によって、膜厚が小さい場合は分極が面直方向を向いたcドメインが形成されるが、膜厚が大きくなるにつれて、a/cドメインとa/aドメインが複合的に形成される構造に変化し、aドメインが優勢になることを明らかにした。また、KTaO3基板上のPbTiO3エピタキシャル膜に関しては成膜後の冷却過程でドメイン構造が変化することを見出した。
(2) 非鉛圧電体におけるドメイン構造変化については、チタン酸ビスマスナトリウム-チタン酸バリウムにおいて、高電圧ポーリング処理によって巨大圧電性が生じることを見出し、またこの圧電性がドメインスイッチングによるものであることを明らかにした。
(3)HfO2基強誘電体における電場誘起相転移に関しては、非ペロブスカイト型結晶構造の強誘電体において電場誘起構造変化が特性に大きく影響する例として研究を行った。HfO2基強誘電体においては、冷却過程においてクエンチされた正方晶の常誘電体相から、より安定な強誘電体相に電場誘起構造相転移が起こり、強誘電性が発現しうることを明らかにした。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Domain structures induced by tensile thermal strain in epitaxial PbTiO3 films on silicon substrates (2022)
  • Author(s): Sato Tomoya、Kodera Masanori、Ichinose Daichi、Mimura Takanori、Shimizu Takao、Yamada Tomoaki、Funakubo Hiroshi
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 131 Issue: 3 Pages: 035301-035301
  • DOI: 10.1063/5.0074884
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth of 0.1(Bi,Na)TiO₃–0.9BaTiO₃ epitaxial films by pulsed laser deposition and their electric properties (2021)
  • Author(s): ISHIHAMA Keisuke、KODERA Masanori、SHIMIZU Takao、YAMAOKA Wakiko、TSURUMARU Risako、YOSHIMURA Shintaro、SATO Yusuke、FUNAKUBO Hiroshi
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 129 Issue: 7 Pages: 337-342
  • DOI: 10.2109/jcersj2.21002
  • NAID: 130008060686
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Year and Date: 2021-07-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large Piezoelectric Response in Lead-Free (B0.5Na0.5)TiO3-Based Perovskite Thin Films by Ferroelastic Domain Switching: Beyond the Morphotropic Phase Boundary Paradigm (2021)
  • Author(s): Shimizu Takao、Hasegawa Miyu、Ishihama Keisuke、Tateyama Akinori、Yamaoka Wakiko、Tsurumaru Risako、Yoshimura Shintaro、Sato Yusuke、Funakubo Hiroshi
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 13 Issue: 48 Pages: 57532-57539
  • DOI: 10.1021/acsami.1c15713
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of cooling rate on ferroelastic domain structure for epitaxial (100)/(001)-oriented Pb(Zr, Ti)O3 thin films under tensile strain (2021)
  • Author(s): Ehara Yoshitaka、Ichinose Daichi、Kodera Masanori、Shiraishi Takahisa、Shimizu Takao、Yamada Tomoaki、Nishida Ken、Funakubo Hiroshi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: SF Pages: SFFB07-SFFB07
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac10f7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comprehensive Study on the Kinetic Formation of the Orthorhombic Ferroelectric Phase in Epitaxial Y-Doped Ferroelectric HfO2 Thin Films (2021)
  • Author(s): Tashiro Yuki、Shimizu Takao、Mimura Takanori、Funakubo Hiroshi
  • Journal Title: ACS Applied Electronic Materials Volume: 3 Issue: 7 Pages: 3123-3130
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c00342
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Domain structure transition in compressively strained (100)/(001) epitaxial tetragonal PZT film (2021)
  • Author(s): Ichinose Daichi、Shimizu Takao、Sakata Osami、Yamada Tomoaki、Ehara Yoshitaka、Funakubo Hiroshi
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 129 Issue: 2 Pages: 024101-024101
  • DOI: 10.1063/5.0031803
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temperature dependence on the domain structure of epitaxial PbTiO3 films grown on single crystal substrates with different lattice parameters (2020)
  • Author(s): Ehara Yoshitaka、Nakashima Takaaki、Ichinose Daichi、Shimizu Takao、Yamada Tomoaki、Nishida Ken、Funakubo Hiroshi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SP Pages: SPPB01-SPPB01
  • DOI: 10.35848/1347-4065/aba2bf
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large Electromechanical Responses Driven by Electrically Induced Dense Ferroelastic Domains: Beyond Morphotropic Phase Boundaries (2020)
  • Author(s): Nakajima Mitsumasa、Shimizu Takao、Nakaki Hiroshi、Yamada Tomoaki、Wada Ayumi、Nakashima Takaaki、Ehara Yoshitaka、Funakubo Hiroshi
  • Journal Title: ACS Applied Electronic Materials Volume: 2 Issue: 7 Pages: 1908-1916
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00220
  • Peer Reviewed / Open Access