次世代圧電デバイスに向けた単結晶ナノキューブコンポジット三次元配列集積体の開発

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K18418
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 三村 憲一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (20709555)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: ナノクリスタル / 水熱合成 / チタン酸バリウム / 固溶体 / 誘電体材料

Outline of Annual Research Achievements

チタン酸バリウムナノキューブへのカルシウム固溶体の合成方法の検討を行った。まず初めに、バリウム原料に酢酸塩を用いるチタン酸バリウムナノキューブ合成方法の確立を行った。これまでの合成条件において、出発原料である水酸化バリウムを酢酸バリウムに変更するだけで、比較的容易にチタン酸バリウムナノキューブを合成可能であることを見出した。得られたチタン酸バリウムナノキューブは、原料を変更したことに伴う結晶性や形状の変化は認められず、これまでに得られているナノキューブと同様の品質を示した。
そこで、目的組成である30mol%のCa固溶化について、バリウム及びカルシウムの酢酸塩を出発原料として水熱合成を行ったが、これまでの合成条件ではほとんど反応が進まず、チタン酸バリウムナノキューブのみが生成する結果となった。そのため、より高い合成温度条件や長い合成時間などへ条件を変更して合成を試みたが、いずれにおいても同様にチタン酸バリウムナノキューブのみが生成し、カルシウムの固溶反応が進んでいないことが確認された。一方、チタン酸カルシウムナノキューブの合成を試みたところ、ファセットの有する結晶成長が確認できたが、粒子サイズの不均一性、キューブ形状ではなくロッド状に近い形態が見られたことなどから、バリウムとカルシウムの反応性が大きく異なるため、水熱合成時に不均一な反応が生じていることが考察された。
これらの結果を受け、急速な加熱により均一な核生成が可能なマイクロ波加熱装置を導入し、反応前駆体の合成およびマイクロ波による水熱合成条件の検討、最適化を現在実施している。また、Ca添加組成の見直しや、他の元素との同時添加による反応性の向上を検討中である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

カルシウムの固溶が進まず、条件の模索・最適化に非常に時間がかかっている。
バリウムとは異なり、カルシウムは溶液のpHに非常に敏感であるため、均一な状態の前駆体を調製することが重要であると考えているため、原料の選定や前駆体の合成なども含めて大幅な合成条件の見直しを行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

前駆体の合成やCa原料の最適化、合成条件の細分化検討を行うことにより、結晶成長過程のメカニズムの詳細な解析を行い、固溶化促進条件を検討する。特にマイクロ波加熱や溶媒の選択や添加剤の検討などを行うことにより15 nmの固溶体ナノキューブの合成を行う。その後、得られたナノキューブの微構造観察および組成評価、特性評価等を精密に行うことにより、組成制御や特性制御の可能性を検討する。また、これまでに得られているチタン酸バリウムナノキューブおよびチタン酸ジルコン酸ナノキューブとの複合化を進めるべく、分散条件および集積化条件の最適化を進める。特に界面形成が重要であると考えられるため、面同士を合わせた緻密な集積体の作製条件について最適化を図る。

Causes of Carryover

所内分析など予定を次年度へ繰り越したため。