2020 Fiscal Year Annual Research Report
Design and fabrication of multiferroic materials with huge magnetoelectic effect caused by digital composite structure
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17H03151
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
上辻 靖智 大阪工業大学, 工学部, 教授 (00340604)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 機能材料 / マルチスケール解析 / 電気磁気効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代新規デバイス開発の核となるマルチフェロイック材料の電気磁気効果を飛躍的に向上することを目的とし，これまでに強誘電体材料で実績のあるマルチスケール構造最適設計を応用して，数値解析主導の材料開発に着手している．巨大なマクロ電気磁気効果の発現の鍵はミクロ不均質構造とカップリング（圧電および圧磁）特性の相乗効果にあり，従来の均質単結晶体の積層構造を超える潜在能力が未開拓である．
令和2年度は前年度に構築した設計法を用いて，マルチフェロイック複合材料のマクロ電気磁気効果を最大化するミクロ構造の最適化を実施した．強誘電体をBaTiO3およびPZT，強磁性体CoFeO3およびTerfenol-Dとして，２層の配置および含有率，分極方位を設計変数として均質単結晶体の積層構造を超えるミクロ構造を探求した．特に，磁界あるいは電界を加える方向を入力方向，これにより生じる電束密度あるいは磁束密度を出力方向とし，入力方向と出力方向とが平行となる電気磁気定数の最大化に着手した．その結果，従来構造を大きく超える新しいミクロ構造を発見し，特許として出願した．
一方，RFスパッタリング装置によってシリコン基板上に金属下部電極バッファ層を形成した後，マルチフェロイック積層薄膜の創製に関する基礎的な検討を完了した．また，マルチスケール最適化構造を創製するため，熱溶解積層方式の３Dプリンティングへの展開を図った．令和2年度はBaTiO3粒子に対してシランカップリング処理を行い，母材をPPとする圧電粒子分散フィラメントを創製した．成形性および圧電性に及ぼすシランカップリング剤の効果を調査し，最適な濃度条件を見出した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度（令和元年度）に構築した均質化理論に基づいたマルチスケール最適設計法を様々な材料の組合せにも適用し，ミクロ構造の最適化を行った結果，電気磁気入出力方向が平行となるマクロ電気磁気定数に対して均質単結晶体の積層構造を超える期待通りの結果を得た．また，磁界が入力された場合を例として，ミクロ構造における変形を分析し，強磁性体相から強誘電体相へのひずみ伝達においてせん断変形が関与するユニークな電気磁気効果の発現メカニズムも解明できた．しかし，検討を計画していた電気磁気入出力方向が直交する電気磁気定数に対するミクロ構造最適化には至らず，来年度（令和３年度）に繰り越すことになった．
一方，RFスパッタ法によりマルチフェロイック複合材料の創製に関する基礎的な検討を完了した．さらに，複雑なマルチスケール最適化構造を創製するため，熱溶解積層方式の３Dプリンティングへの展開を図った．圧電セラミックス粒子と高分子樹脂において良好な界面を形成するため，シランカップリング剤を導入し，圧電粒子分散高分子フィラメントの創製に成功したが，プリンティング，分極処理について多くの課題が判明した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度（令和２年度）達成できなかった電気磁気入出力方向が平行となるマクロ電気磁気定数に対して，均質化理論に基づいたマルチスケール最適設計を継続する．これまでと同様に，材料の組合せ（強誘電体：BaTiO3，PZT／強磁性体：CoFeO3，Terfenol-D）に関して，ミクロ構造最適化の有効性を確認したうえで，得られた最適ミクロ構造におけるひずみ伝達メカニズムを分析し，電気磁気効果を増幅する新たなデジタル複合構造についても特許化を目指す．特に，磁界が入力された場合を例として，強磁性体相の圧磁効果から強誘電体相に生じる変形に着目し，従来構造にはない新しいひずみ伝達メカニズムを探究する．
一方，今年度（令和２年度）独自に開発した圧電粒子分散高分子フィラメントを用いて，３Dプリンティングに挑戦する．プリントヘッドおよびテーブル温度，プリント速度，ヘッド高さを調整し，良好な成形性を実現する．また，コロナ放電システムを用いた分極処理条件として分極処理温度，時間，放電距離を制御し，十分な圧電性を得ることを目指す．
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