2019 Fiscal Year Annual Research Report
Design of piezoelectric device materials by controlling nanostructure: First-principles calculations
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17K04983
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
籾田 浩義 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (60634889)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 第一原理計算 / 圧電体 / ウルツ鉱構造 / ナノ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、原子配列・ナノ構造制御によるウルツ鉱構造ベース圧電体材料の高性能化ガイドラインを理論的に構築することである。研究手法として第一原理計算を基盤技術とした量子論的・非経験的な計算科学手法を用い、高圧電性物質の機能発現要因に関する電子・原子論的メカニズを詳細に解明する。初年度は、バルク圧電物性の理解と制御を目的として、元素置換等を利用した原子配列制御による高圧電化の材料設計指針を提示した。第一原理計算と機械学習の手法を用いて、ウルツ鉱構造物質の圧電定数と結晶構造パラメータの間に強い関係があることを示した。前年度および最終年度には、ナノ構造化による圧電機能への効果を調査し、ZnOのナノワイヤ・ナノシートの原子構造と電子状態に対するサイズ依存性を明らかにした。ZnO[0001]ナノワイヤは、ワイヤ半径を小さくするにつれて有効圧電定数が増大する傾向が確認された。また、ZnO(0001)ナノシートは、面内格子定数に強く依存した原子構造・電子状態の変化を示すことが明らかとなった。最終年度には、ナノ構造化されたウルツ鉱物質の原子構造・バンド構造を詳細に解析し、バルクとは異なるナノ構造特有の原子環境（エッジまたは表面）に起因した電子物性・圧電特性の発現機構を解析した。また、初年度に提案したバルク圧電性の高性能化指針に基づいて、ウルツ鉱物質の圧電性に対する歪み・構成元素の組み合わせ・元素置換の効果を調査し、本研究で提案した材料設計指針の有効性を確認した。本研究により、バルク体に対しては構成物質に依らず一般的に「格子定数比（c/a）がより小さい物質はより高い圧電e定数を示す」こと、「ナノワイヤなどのナノ構造化により有効圧電定数の増大が可能である」ことが示された。
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