2018 Fiscal Year Annual Research Report
強誘電体における電気熱量効果を利用した小型ヒートポンプの開発
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17J10583
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
松下 裕司 大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 電気熱量効果 / 強誘電体 / 有限要素法解析 / 熱伝導解析 / 有機強誘電体ポリマー / P(VDF-TrFE) |
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| Outline of Annual Research Achievements |
・P(VDF-TrFE)薄膜の電気熱量効果の直接測定
有限要素法により、交流電界を印加したときP(VDF-TrFE)薄膜内で発生する電気熱量効果の、基板方向への熱拡散の影響を調べた。その結果、周波数の増加に伴い基板方向への熱拡散の影響は小さくなり、周波数のしきい値も膜厚の増加に伴い低周波側へシフトすることがわかった。測定では、履歴損失を抑えるため分極処理をした後に測定を行い、強誘電体の抗電界以下の電界を印加した。得られた温度変化は電界強度に比例し、また分極処理の方向により位相信号は180°変化することがわかった。そのため得られた温度変化は電気熱量効果であることがわかった。また、印加周波数を変え測定を行った所、10Hzの低周波では温度変化が得られなかったのに対し、1kHz以上の周波数では温度変化が現れ、有限要素法の結果と一致する結果が得られた。周波数の変化により得られる結果が異なるのは、基板方向への熱拡散の影響であることがわかった。
・P(VDF-TrFE)厚膜の正圧電特性評価
P(VDF-TrFE)は抗電界が大きく、数nmの薄膜や数十μmのシートにおいては報告が多く行われている一方、数μmの膜における報告は少ない。そこで2μmの膜をスピンコート法により作製し、強誘電特性、また正圧電特性の評価を行った。製膜後のアニール温度を変化させた結果、溶融温度付近の温度でアニールすると残留分極値・さらに31モードの圧電応答が大きくなることがわかった。詳細に調べるために、正圧電応答力顕微鏡（DPRM)を用いて、カンチレバーから膜にひずみを印加した時に生じる33モードの正圧電応答を観察した結果、ドメイン像が得られた領域は膜の一部であることがわかった。
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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
本研究で開発された、薄膜熱電対を用いた電気熱量効果の直接測定手法は、高感度に温度変化を観測できる手法として有用である。これまで、P(VDF-TrFE)膜における直接測定に取り組んできたが、他の材料にも応用することが可能であり、マイクロヒートポンプとして応用が可能な電気熱量材料の材料探索をする上で重要な技術になると確信している。また、この測定を通して、強誘電体薄膜からも実用的な電気熱量効果が得られることがわかったため、デバイス応用可能であることが明らかとなった。デバイス物理の開拓へ繋がる重要な結果であると考えられ、測定手法にとどまることのない、新たな学理の追求に貢献できると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
一般に、リラクサ強誘電体や反強誘電体では、電界印加・除去時の分極エントロピー変化が、強誘電相と比較して大きいと考えられている。そこで、より大きな電気熱量効果が望める有機リラクサ強誘電体薄膜における電気熱量効果の直接測定に取り組む。また、今年度得られた測定結果を踏まえ、薄膜から電気熱量効果を取り出すには、最適な膜厚・印加電界周波数が存在することが予想された。有限要素法並びに解析解を用いてどのような動作を行うことが、電気熱量効果をデバイス応用する上で有利か、そのデバイス物理を明らかにすることを目指す。
また、正圧電応答力顕微鏡を用いて、段階的にポーリング処理したときのP(VDF-TrFE)膜の電極直下のドメイン像の観察を行う。この結果を通して、分極回転メカニズムを詳細に調べ、P(VDF-TrFE)膜の分極回転速度や界面欠陥などの評価を行う。
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