2017 Fiscal Year Research-status Report
強誘電体臨界点を利用した誘電チューナブル材料による誘電率制御
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16K13820
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
岩田 真 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40262886)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
籠宮 功 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40318811)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / 誘電率 / 誘電チューナビィティー / 電場誘起相転移 / 臨界点 / ペロブスカイト / 酸化物 / 構造相転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
誘電率が DC 電場によって変化する材料を誘電チューナブル材料と呼ぶ。その変化の割合を表す量 t={ε(0)-ε(Emax)}/ε(0) を誘電チューナビリティーと呼ぶ。ここで、ε(0) と ε(Emax) はゼロ DC 電場下と最大 DC 電場 Emax 下の誘電率である。現在スマートフォンで使用されている電波の周波数帯は、700 MHz から 2.1 GHzであり、周波数比は約 3 倍である。フィルターに LC 共振回路を用いると電気容量を約 10 倍変化させる必要がある。このことは、実用化に対して必要条件は、チューナビリティーが 90% となる。
従来、誘電チューナブル材料には、ヒステリシスループの角型性が小さいソフト強誘電体材料、リラクサや複合材料(含人工超格子)のような不均一系材料が用いられてきたが、材料探索には指導原理は無く、経験則による研究が進められているのが現状であった。申請者の知る限り、スマートフォンの通信に必要なチューナビリティー t = 90% 以上の材料は、まだ見つかっていない。
過去に申請者らは、(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 (PZN-xPT) 強誘電体混晶の電場誘起相転移に関する基礎的研究の中で、強誘電体の臨界点近傍組成の物質を用いると、大きな誘電率変化を示す誘電チューナブル材料として利用できる可能性を見いだした。これは申請者のオリジナルなアイディアである。この事実は、臨界現象が誘電チューナブル材料として応用可能であることを示している。
2017 年度申請者らは、室温で、相転移を示す Pb(Sc1/2Ta1/2)O3 (PST) 結晶を育成し、室温付近でチューナリティーが 90% を越えることを実験的に見出し,
Jpn. J. Appl. Phys で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本科研費の申請以前に、申請者らは PZN-xPT の臨界点近傍の誘電チューナビリティーが 90 % を越える大きな値を示すことを報告した。しかしながら、PZN-xPT の臨界温度は室温よりも高く、室温で大きなチューナビリティーを示さないという問題があった。本科研費では、それを克服するために、室温で臨界点を示す物質を探索して、大きなチューナビリティーが室温で発現することを示すことを目的にした。
次年度(2018 年度)、本研究では、室温付近に強誘電性相転移を示すPb(Sc1/2Ta1/2)O3 (PST) 単晶を育成し、相転移の様子や誘電チューナビリティーを実験的に調べた。PSTはペロブスカイト型構造をとり、約14 oC 転移を起こす強誘電体である。PSTは、Bサイトイオン (ScとTa) の配置によって、秩序型のもの (O-PST)と無秩序型のもの(DO-PST)が存在し、相転移温度での誘電率のピークの値が両者で異なることが知られている。実験の結果、20 oC と25 oC において、それぞれ、誘電チューナビリティー 92% と 88% が得られた。更に、Landau 理論を基にした熱力学的考察により、臨界点で現れる現象の割には、広い温度範囲で大きなチューナビリティーを示す可能性を明らかにし、実験的にも裏付けることができた。
以上の結果から、次年度は当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
達成度で述べたように、本研究では、PST において、室温付近で 90% を越える大きな誘電チューナビリティーが得られることを実験的に見出すことに成功し、Landau 理論による考察と共に、成果をJpn. J. Appl. Phys. 誌で発表した。
以上のように、本研究では、PST で大きなチューナビリティーが得られたが、PST の電場印加効果等の基礎的物性が明らかにされているとは言い難い。今後は、基礎的な立場から、PST の温度－電場相図や非線形誘電率の測定を行って行きたいと考えている。
従来、強誘電体の応用研究では、強誘電性や圧電性が安定して発現するために、相転移温度が高い材料ほど注目され、材料探索では、少しでも相転移温度の高い強誘電体がその対象と考えられてきた。このような経緯により、現在、室温付近で強誘電性相転移を起こす強誘電体は、それほど多く知られておらず、知られていても、それらの物性は十分には調べられていない。本研究の提案は、室温で相転移を示す材料をチューナブル材料の候補にすると大きな誘電チューナビリティーが得られるということであるので、従来の物質探索の方針を変える必要がある。このような観点から、本研究では、室温近傍に強誘電性相転移温度を示す強電体材料 (Ba1-xSrx)TiO3 や K(Ta1-xNbx)O3の結晶育成と物性評価も、今後の課題である。
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| Causes of Carryover |
消耗品費が計画よりも安価であった。
次年度の消耗品費に充てる。
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