蛍石構造を有する薄膜の強誘電性発現機構の解明と新規強誘電体物質群の創出

• Project Area: Exploration of nanostructure-property relationships for materials innovation
• Project/Area Number: 26106509
• 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: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 舟窪 浩 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (90219080)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2015: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2014: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 蛍石構造 / 強誘電体 / 薄膜 / 強誘電体薄膜

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、蛍石構造を有するHfO2基の薄膜において、これまで報告されたことのない強誘電性の発現機構を世界に先駆けて解明することを目的としている。この物質は、“膜厚の減少に伴って強誘電性が増加する”という従来の強誘電体薄膜にはない興味深い特長を持ち、その機構解明に先鞭をつけることは、強誘電体の研究分野に新展開をもたらすと期待される。最終的には解明した発現機構を基に検討した探索指針を用い、“新たな組成と結晶構造を有する強誘電体物質群の創出”を目指す。本年は以下の成果を得た。
１) YSZ基板上に(100)および(111)の２方位の0.07YO1.5-0.93HfO2膜を作製した。その結果、(100)の方位の膜の方がより広い範囲で強誘電相が出現することが明らかになった。
２) (100)配向したエピタキシャル膜では基盤との格子整合によって、分極の方向を制御できることが明らかになった。
３) Si基板上に、ITOをバッファー層とすることで(111)配向した一軸配向した膜を作製することに成功したこの膜は、気相から直接結晶化する方法と、室温製膜後の後処理による方法の両方で作製できた。得られた膜の強誘電性は、YSZ基板上に作成したエピタキシャル膜とほぼ同じであった。
４) ITO/(100)YSZ基板上に作製した膜について、電界印加前後の結晶構造と強誘電性の評価を行った。その結果、電界の印加によって90°ドメインが反転している可能性が示唆された。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Growth of epitaxial orthorhombic YO1.5-substituted HfO2 thin film (2015)
  • Author(s): Takao Shimizu, Kiliha Katayama, Takanori Kiguchi, Akihiro Akama, Toyohiko, J. Konno, and Hiroshi Funakubo
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 107 Issue: 3
  • DOI: 10.1063/1.4927450
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Contribution of oxygen vacancies to the ferroelectric behavior of Hf0.5Zr0.5O2 thin films (2015)
  • Author(s): Takao Shimizu, Tatsuhiko Yokouchi, Takahiro Oikawa, Takahisa Shiraishi, Takanori Kiguchi, Akihiro Akama, Toyohiko J. Konno, Alexei Gruverman, and Hiroshi Funakubo
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 106 Issue: 11
  • DOI: 10.1063/1.4915336
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Chemical Fluid Deposition of Hf-Zr-O-based Thin Films using Supercritical Carbon Dioxide Fluid (2015)
  • Author(s): Marina Shiokawa, Katsushi Izaki, Hiroshi Funakubo, and Hiroshi Uchida
  • Journal Title: Mater Reserch Society Proceedings Volume: 1729 Pages: 99-104
  • DOI: 10.1557/opl.2015.95
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on the effect of heat treatment conditions on metalorganic-chemical-vapor-deposited ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 thin film on Ir electrode (2014)
  • Author(s): Takao Shimizu, Tatsuhiko Yokouchi, Takahisa Shiraish, Takahiro Oikawa, P. S. Sankara Rama Krishnan, and Hiroshi Funakubo
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 53
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 固相成長による配向制御したHfO2基強誘電体薄膜の作製と特性評価 (2016)
  • Author(s): 三村和仙、片山きりは、清水荘雄、内田 寛、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦、坂田修身、舟窪 浩
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（東京都）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 配向制御したHfO2基強誘電体の作製とその強誘電特性評価 (2016)
  • Author(s): 舟窪浩、清水荘雄、片山きりは、三村和仙、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦、内田寛
  • Organizer: 日本セラミックス協会 2016年年会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 西早稲田キャンパス（東京都）
  • Year and Date: 2016-03-14
• [Presentation] HfO2薄膜における強誘電相転移に関する第一原理計算 (2016)
  • Author(s): 森分博紀、小西綾子、桑原彰秀、東後篤史、清水荘雄、舟窪浩
  • Organizer: 日本セラミックス協会 2016年年会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 西早稲田キャンパス（東京都）
  • Year and Date: 2016-03-14
• [Presentation] 固相エピタキシー法による斜方晶相HfO2-ZrO2固溶体薄膜の作製 (2016)
  • Author(s): 木口賢紀、中村奨梧、範滄宇、白石貴久、今野豊彦、清水荘雄、舟窪浩
  • Organizer: 日本セラミックス協会 2016年年会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 西早稲田キャンパス（東京都）
  • Year and Date: 2016-03-14
• [Presentation] Fundamental understanding of ferroelectricity in HfO2-based materials using epitaxial films and their applications to real devices (2016)
  • Author(s): Hiroshi Funakubo, Takao Shimizu, Kiriha Katayama, and Takanori Mimura
  • Organizer: MANA International Symposium 2016
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center EPOCHAL TSUKUBA (Tsukuba, Japan)
  • Year and Date: 2016-03-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 蛍石構造を有する薄膜の強誘電性発現機構の解明と新規強誘電体物質群の創出 (2016)
  • Author(s): 舟窪浩
  • Organizer: 新学術領域研究「ナノ構造情報のフロンティア開拓―材料科学の新展開」第３回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学 武田先端知ホール（東京都）
  • Year and Date: 2016-03-08
• [Presentation] 固相成長法を用いた強誘電体HfO2 基薄膜のエピタキシャル成長と特性評価 (2016)
  • Author(s): 三村和仙、片山きりは、清水荘雄、舟窪浩、内田寛、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦
  • Organizer: 第54回セラミックス基礎科学討論会
  • Place of Presentation: アバンセ（佐賀県立男女共同参画センター・佐賀県立生涯学習センター）（佐賀県）
  • Year and Date: 2016-01-07
• [Presentation] HfO2 基エピタキシャル薄膜における強誘電相の安定化 (2016)
  • Author(s): 片山きりは、清水荘雄、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦、内田寛、舟窪浩
  • Organizer: 第54回セラミックス基礎科学討論会
  • Place of Presentation: アバンセ（佐賀県立男女共同参画センター・佐賀県立生涯学習センター）（佐賀県）
  • Year and Date: 2016-01-07
• [Presentation] Ferroelectricity in HfO2-based epitaxial thin film (2015)
  • Author(s): Takao Shimizu , Kiliha Katayama , Takahisa Shiraishi , Takanori Kiguchi , Shogo Nakamura , Toyohiko Konno , Hiroshi Funakubo
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015 (Pacifichem 2015)
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center (Honolulu, Hawaii, USA)
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of Stress on Ferroelectricity of (Hf0.5Zr0.5)O2 Thin Films (2015)
  • Author(s): Hiroshi Funakubo, Takahisa Shiraishi, Tatsuhiko Yokouchi, Takahiro Oikawa, Hiroshi Uchida
  • Organizer: 2015 MRS Fall Meeting & Exhbit
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center and Sheraton Boston Hotel (Boston, MA, USA)
  • Year and Date: 2015-11-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth and Structural Analysis of Epitaxial Orthorhombic YO1.5-HfO2 Thin Films (2015)
  • Author(s): Kiliha Katayama, Takao Shimizu, Osami Sakata, Takanori Kiguchi, Akihiro Akama, Toyohiko J. Konno, Syogo Nakamura, Hiroshi Uchida, and Hiroshi Funakubo
  • Organizer: 17th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics,
  • Place of Presentation: Hotel Buena Vista (Matsumoto, Japan)
  • Year and Date: 2015-11-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth of Epitaxial Orthorhombic YO1.5-Substituted HfO2 Thin Film (2015)
  • Author(s): Takao Shimizu, Kiliha Katayama, Takanori Kiguchi, Akihiro Akama, Shougo Nakamura, Takahisa Shiraishi, Toyohiko J. Konno, Osami Sakata, and Hiroshi Funakubo
  • Organizer: 17th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • Place of Presentation: Hotel Buena Vista (Matsumoto, Japan)
  • Year and Date: 2015-11-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preparation of Fluorite-Structured Ferroelectric Thin Films and Their Characterization (2015)
  • Author(s): Takao Shimizu, Kiriha Katayama, Tatsuhiko Yokouchi, Takahiro Oikawa, Takahisa Shiraishi, Taknori Kiguchi, Toyohiko Konno, Hiroshi Uchida, Hiroshi Funakubo
  • Organizer: 2015 International Workshop on Dielectric Thin Films for future electron devices-science and technology
  • Place of Presentation: Miraikan, National Museum of Emerging Science and Innovation (Tokyo)
  • Year and Date: 2015-11-02
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 種々の基板上に作製した (Hf0.5Zr 0.5)O 2薄膜の特性 (2015)
  • Author(s): 白石貴久、片山きりは、横内達彦、清水荘雄、及川貴弘、内田 寛、舟窪 浩、木口賢紀、今野豊彦
  • Organizer: 第35回エレクトロセラミックス研究討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（東京都）
  • Year and Date: 2015-10-22
• [Presentation] 斜方晶ハフニア薄膜の強誘電相構造 (2015)
  • Author(s): 中村奨梧、木口賢紀、白石貴久、範 滄宇、今野豊彦、片山きりは、清水荘雄、舟窪 浩
  • Organizer: 第35回エレクトロセラミックス研究討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（東京都）
  • Year and Date: 2015-10-22
• [Presentation] Effect of Stress on Ferroelectricity of (Hf0.5Zr0.5)O2 Thin Films (2015)
  • Author(s): H.Funakubo, T.Shiraishi, T.Shimizu, T.Yokouchi, T.Oikawa, H.Uchida
  • Organizer: SSDM 2015 (Solid State Devices and Materials)
  • Place of Presentation: Sapporo Convention Center (Sapporo, Japan)
  • Year and Date: 2015-09-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] (Hf0.5Zr0.5)O2 薄膜の強誘電性に及ぼす歪の効果 (2015)
  • Author(s): 舟窪 浩, 白石 貴久, 片山 きりは, 横内 達彦, 清水 荘雄, 及川 貴弘, 内田 寛
  • Organizer: 日本金属学会２０１５年秋期講演大会
  • Place of Presentation: 九州大学 伊都キャンパス（福岡県）
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] ABF-STEM 法を用いた斜方晶HfO2の分極構造の解析 (2015)
  • Author(s): 中村奨梧、範滄宇、白石貴久、木口賢紀、今野豊彦、片山きりは、清水荘雄、横内達彦、及川貴弘、舟窪浩
  • Organizer: 日本セラミックス協会第28回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 富山大学 五福キャンパス（富山県）
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] 斜方晶エピタキシャルHfO2基薄膜のドメイン構造 (2015)
  • Author(s): 清水 荘雄、片山 きりは、木口 賢紀、赤間 章裕、今野 豊彦、内田 寛、坂田 修身、舟窪 浩
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Si基板上への斜方晶エピタキシャルHfO2基薄膜の作製 (2015)
  • Author(s): 片山 きりは、清水 荘雄、木口 賢紀、赤間 章裕、今野 豊彦、内田 寛、坂田 修身、舟窪 浩
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Growth and structural analysis of epitaxial orthorhombic YO1.5-HfO2 thikn films (2015)
  • Author(s): K. Katayama, T. Shimizu, O. Sakata, T. Kiguchi, A. Akama, T. J. Konno, S. Nakamura, H. Uchida, and H. Funakubo
  • Organizer: NIMS Conference 2015
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center EPOCHAL TSUKUBA (Tsukuba, Japan)
  • Year and Date: 2015-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Searching for the Origin of the Ferroelectric Phase in HfO2 (2015)
  • Author(s): Uwe SCHROEDER, Tony SCHENK, Claudia RICHTER, M. HOFFMANN, Dominik MARTIN, T. SHIMIZU, Hiroshi FUNAKUBO, Darius POHL, Christoph ADELMANN, R. MATERLIK, Alfred KERSCH, X. SANG, James LEBEAU, Sergei V. KALININ, Thomas MIKOLAJICK
  • Organizer: ISAF-ISIF-PFM 2015
  • Place of Presentation: Matrix @ Biopolis (Singapore)
  • Year and Date: 2015-05-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CSD 由来HfO2-ZrO2 固溶体薄膜の結晶構造と誘電特性 (2015)
  • Author(s): 阿部千穂子、塩川真里奈、片山きりは、白石貴久、清水荘雄、舟窪 浩、内田 寛
  • Organizer: 第32回強誘電体応用会議（FMA 32）
  • Place of Presentation: コープイン京都（京都府）
  • Year and Date: 2015-05-20
• [Presentation] 斜方晶相を含むエピタキシャルHfO2 基薄膜の作製と評価 (2015)
  • Author(s): 片山きりは、清水荘雄、白石貴久、及川貴弘、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦、中村奨梧、内田 寛、舟窪 浩
  • Organizer: 第32回強誘電体応用会議（FMA 32）
  • Place of Presentation: コープイン京都（京都府）
  • Year and Date: 2015-05-20
• [Presentation] Ferroelectricity of HfO2-based thin Films (2015)
  • Author(s): T. Shimizu and H. Funakubo
  • Organizer: International Workshop on Topological Structures in Ferroic Materials 2015
  • Place of Presentation: University of New South Wales (UNSW)（Australia)
  • Year and Date: 2015-05-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 斜方晶相を含むエピタキシャルHfO2基薄膜の結晶構造解析 (2015)
  • Author(s): 片山きりは、清水荘雄、横内達彦、白石貴久、及川貴弘、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦、内田寛、舟窪浩
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス（神奈川県）
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] HfO2基エピタキシャル薄膜の強誘電性 (2015)
  • Author(s): 清水荘雄、 片山きりは、舟窪浩
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス（神奈川県）
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
  • Invited
• [Presentation] 蛍石構造を有する薄膜の強誘電性発現機構の解明と新規強誘電体物質群の創出 (2015)
  • Author(s): 舟窪浩
  • Organizer: 新学術領域「ナノ構造情報」第２回公開シンポジウム兼第４回全体会議
  • Place of Presentation: 名古屋大学 環境総合館レクチャーホール（愛知県）
  • Year and Date: 2015-03-11
• [Presentation] 蛍石型構造強誘電体薄膜とその作製 Preparation of florite-structure ferroelectric thin films and their characterization (2015)
  • Author(s): 舟窪浩、清水荘雄
  • Organizer: 第20回「ゲートスタック研究会‐材料・プロセス・評価の物理‐」
  • Place of Presentation: 東レ総合研修センター（静岡県）
  • Year and Date: 2015-01-30 – 2015-01-31
  • Invited
• [Presentation] 斜方晶HfO2のエピタキシャル薄膜作製とその評価 (2015)
  • Author(s): 片山きりは、清水荘雄、横内達彦、白石貴久、及川貴弘、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦、内田寛、舟窪浩
  • Organizer: 第53回セラミックス基礎科学討論会
  • Place of Presentation: 京都テルサ（京都府民総合交流プラザ）（京都府）
  • Year and Date: 2015-01-08 – 2015-01-09
• [Presentation] 蛍石構造酸化物薄膜の強誘電性 (2014)
  • Author(s): 舟窪浩、清水荘雄
  • Organizer: 2014年度セラミックス総合研究会
  • Place of Presentation: 松島一の坊（宮城県）
  • Year and Date: 2014-11-13 – 2014-11-14
• [Presentation] ZrO2およびHfO2基蛍石型酸化物薄膜の強誘電性 (2014)
  • Author(s): 舟窪浩、清水荘雄、横内達彦、白石貴久、片山きりは、及川貴弘、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦、内田寛
  • Organizer: 第34回エレクトロセラミックス研究討論会
  • Place of Presentation: 東京工業大学 大岡山キャンパス（東京都）
  • Year and Date: 2014-10-24 – 2014-10-25
• [Presentation] 斜方晶構造を持つエピタキシャルHfO2系薄膜の作製と評価 (2014)
  • Author(s): 清水荘雄、舟窪浩
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学 札幌キャンパス（北海道）
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] HfO2系材料における強誘電体 (2014)
  • Author(s): 清水荘雄、横内達彦、白石貴久、及川貴弘、木口賢紀、今野豊彦、舟窪浩
  • Organizer: 日本セラミックス協会第27回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 鹿児島大学 郡元キャンパス（鹿児島県）
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-11
  • Invited
• [Presentation] Pt 電極上に堆積した(Hf,Zr)O2 薄膜の強誘電特性 (2014)
  • Author(s): 清水荘雄, 横内達彦, 白石貴久, 及川貴弘, 舟窪浩
  • Organizer: 第31回強誘電体応用会議（FMA-31）
  • Place of Presentation: コープイン京都（京都府）
  • Year and Date: 2014-05-28 – 2014-05-31
• [Presentation] Ferroelectric Property in HfO2-ZrO2 Film with Various Metal Electrodes (2014)
  • Author(s): T. Shimizu, T. Yokouchi, T. Oikawa, T. Shiraishi, T. Kiguchi, A. Akama, T.J. Konno, D.J. Kim, A. Gruverman, and H. Funakubo
  • Organizer: 2014 ISAF- IWATMD- PFM
  • Place of Presentation: Penn State University in State College, PA, USA
  • Year and Date: 2014-05-12 – 2014-05-16
• [Remarks] 東京工業大学物質理工学院材料系舟窪研究室ホームページ
  • URL: http://f-lab.iem.titech.ac.jp/f-lab.htm
• [Remarks] 東京工業大学大学院総合理工学研究科舟窪研究室ホームページ
  • URL: http://f-lab.iem.titech.ac.jp/f-lab.htm
• [Patent(Industrial Property Rights)] 強誘電性エピタキシャル薄膜、電子素子及び製造方法 (2015)
  • Inventor(s): 清水 荘雄、舟窪 浩、片山きりは、三村和仙
  • Industrial Property Rights Holder: 清水 荘雄、舟窪 浩、片山きりは、三村和仙
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2015-08-28
  • Overseas