強誘電体-常誘電体“ナノオブリック構造"による巨大非線形応答材料の開発

• Project Area: Nano Materials Science for Atomic Scale Modification
• Project/Area Number: 22015007
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 山田 智明 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (80509349)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 舟窪 浩 東京工業大学, 総合理工学研究科, 准教授 (90219080)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥4,600,000 (Direct Cost: ¥4,600,000); Fiscal Year 2011: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000); Fiscal Year 2010: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
• Keywords: 強誘電体 / 誘電体物性 / 傾斜構造 / コンポジット薄膜

Research Abstract

本研究では、強誘電体-常誘電体"ナノオブリック構造"による巨大非線形応答材料の開発を目指した。具体的には、電界印加により誘電分極の非線形応答(チューナブル特性)を示す強誘電体(BaTiO3,(Ba,Sr)TiO3,Pb(Zr,Ti)O3等)を、低誘電率常誘電体に三次元の配向を持って埋め込んだナノコンポジット構造を作製し、強誘電体のサイズや形状、傾斜角(オブリック角)の制御を狙った。これにより、従来にない大きな非線形応答の実現と高いQ値を目指した。
本年度は、昨年度に引き続き、強誘電体BaTiO3と低誘電率常誘電体CeO2からなるナノオブリック構造の制御を試みた。その結果、CeO2ファセット構造上に堆積することで成長様式は変化するものの、明瞭に分離したオブリック構造を成長させるためには、堆積条件の更なる最適化や異なる材料の組み合わせを検討する必要がある事が明らかとなった。後者のアプローチとして、強誘電体と空隙(低誘電率相)からなるナノコンポジット構造の作製に取り組んだ。PLD法を用いて、1Torr以上の酸素圧力下で強誘電体Pb(Zr,Ti)O3をSrRuO3/SrTiO3基板上に堆積させる事で、強誘電体Pb(Zr,Ti)O3のナノロッドアレイが成長した。このナノロッドアレイ上に電極を作製する事により、明瞭に分離した1(強誘電)-3(常誘電)ナノコンポジット構造の作製に成功した。得られた構造の静電容量の電界依存性を測定した結果、ナノロッド間の空隙が低誘電率相として作用することで大きな非線形特性を示す可能性が示唆された。正確な非線形定数を求めるためには、ナノロッドアレイ上の電極作製方法を今後改善する必要がある。また理論的なアプローチとして、オブリック構造の配向様式(強誘電体の形状や傾斜角)と各相の誘電率がチューナブル特性(非線形定数、Q値)に与える影響をモデル化した。

Research Products

• [Journal Article] Non-contact Prove Method of Ferroelectric Property Estimation of PbTiO3 Based Films for Micro Electro Mechanical Systems (2012)
  • Author(s): 江原祥隆
  • Journal Title: Journal of Materials Research Volume: (印刷中)(in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong Growth Orientation Dependence of Strain Relaxation in Epitaxial (Ba,Sr)TiO3 Films and The Resulting Dielectric Properties (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 109 Issue: 9
  • DOI: 10.1063/1.3581203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Switching of Ferroelastic Nanodomains in Bilayered Ferroelectric Thin Films (2011)
  • Author(s): 江原祥隆
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 99
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural and Dielectric Properties of Epitaxial (Ba,Sr)TiO_3 Films on c-Al_2O_3 with Ultra-thin TiN Sacrificial Template (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 119 Pages: 261-265
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spontaneous Polarization Estimation from the Soft-mode in Strain-free Epitaxial Polar Axis-oriented Pb(Zr,Ti)O_3 Thick Fims with Tetragonal Symmetry (2011)
  • Author(s): 江原祥隆
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 98
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong Growth Orientation Dependence of Strain Relaxation in Epitaxial (Ba,Sr)TiO_3 Films and The Resulting Dielectric Properties (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: (掲載確定 未定)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-crystal-like Selection Rules for Unipolar-axis Oriented Tetragonal Pb(Zr,Ti)O_3 Thick Epitaxial Films (2010)
  • Author(s): 中島光雅
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 97
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth of Polar Axis Oriented Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Films on CaF2 Substrates with Transparent (La0.07Sr0.93)SnO3 (2010)
  • Author(s): 宇津木覚
  • Journal Title: Journal of Crystal Growth Volume: 312 Pages: 3127-3130
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 引張り歪みを有する(111)エピタキシャル(Ba,Sr)TiO3薄膜の面内および面外の誘電応答 (2012)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: 第59回応用物理学関連連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-17
• [Presentation] Piezoelectricity of Nano-structured Lead-Zirconate-Titanate (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: International Symposium on EcoTopia Science 2011
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知県)
  • Year and Date: 2011-12-10
• [Presentation] PLD法を用いた強誘電体ナノロッド集合体の成長とその非線形特性 (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: 日本金属学会2011年秋期(第149回)大会
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター・カルチャーリゾートフェストーネ(沖縄県)
  • Year and Date: 2011-11-09
• [Presentation] Structural and Piezoelectric Properties of Pb(Zr, Ti)O3 Nanorods Grown by PLD (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: 15th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • Place of Presentation: 城山観光ホテル(鹿児島県)
  • Year and Date: 2011-11-07
• [Presentation] Pb(Zr,Ti)O3ナノロッド集合体の基板上へのエピタキシャル成長とその圧電特性 (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: 日本セラミックス協会第24回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道)
  • Year and Date: 2011-09-09
• [Presentation] An Approach for Self-Assembled Epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 Nanorod-Array toward Enhanced Piezoelectric Responses (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: The 20th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics International Symposium on Piezoresponse Force Microscopy & Nanoscale Phenomena in Polar Materials
  • Place of Presentation: Vancouver (Canada)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-26
• [Presentation] Ferroelectric and Piezoelectric Properties of Vertically Arrayed Epitaxial Pb(Zr, Ti)O3 Nanorods (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: The 9th International Meeting of Pacific Rim Ceramic Societies
  • Place of Presentation: Cairns (Australia)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-12
• [Presentation] PLD法によるPb(Zr,Ti)O3ナノロッドのエピタキシャル成長と圧電特性の検討 (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: 強誘電体応用会議FMA-28
  • Place of Presentation: ホテルコープイン京都(京都府)
  • Year and Date: 2011-05-25
• [Presentation] ボトムアップ手法によるペロブスカイト型薄膜成長と誘電特性設計 (2011)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: 日本セラミックス協会2011年年会
  • Place of Presentation: 静岡大学、浜松市
  • Year and Date: 2011-03-17
• [Presentation] 菱面体晶Pb(Zr,Ti)O3エピタキシャル膜の結晶構造と強誘電特性 (2011)
  • Author(s): 江原祥隆
  • Organizer: 日本セラミックス協会2011年年会
  • Place of Presentation: 静岡大学、浜松市
  • Year and Date: 2011-03-17
• [Presentation] Epitaxial Growth of Pb(Zr,Ti)O3 Nano-rods and their Piezoelectric Responses (2010)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: The 27th International Korea-Japan Seminar on Ceramics
  • Place of Presentation: Incheon, Korea
  • Year and Date: 2010-11-25
• [Presentation] Self-Assembled Nano-oblique Structure for RF Tunable Applications (2010)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: 2nd Japanese-Russian Young Scientists Conference on Nano-Materials And Nano-Technology
  • Place of Presentation: 東京工業大学、目黒区
  • Year and Date: 2010-09-21
• [Presentation] Strain Manipulation for Differently Oriented SrTiO_3 and (Ba,Sr)TiO_3 Films, and the Impact on Phase Transition Behavior (2010)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: XIX International Materials Research Congress 2010 (IMRC2010)
  • Place of Presentation: Cancun, Mexico
  • Year and Date: 2010-08-16
• [Presentation] Dissimilar Influence of Biaxial Strain on Phase Transition in Differently Oriented Epitaxial (Ba,Sr)TiO3 Films (2010)
  • Author(s): 山田智明
  • Organizer: International Symposium on Integrated Function alities (ISIF)
  • Place of Presentation: Puerto Rico, USA
  • Year and Date: 2010-06-14