2020 Fiscal Year Annual Research Report
理論と実験の結合による新規反強誘電性層状酸化物の開拓と結晶化学的チューニング
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18H01892
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
赤松 寛文 九州大学, 工学研究院, 准教授 (10776537)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 反強誘電体 / 第一原理計算 / セラミックス / 結晶化学 / 層状ペロブスカイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
反強誘電体に電場を印加すると、反並行に整列していた電気双極子が同じ向きに揃う。この特徴的な挙動を活かして、パワーデバイスや電気エネルギー貯蔵材料への応用が期待されている。こうした応用には、用途毎に特性をチューニングする必要があるが、現状ではそれが可能な反強誘電体の設計指針が確立されているとは言えない。
本研究では、層状ペロブスカイト酸化物の化学組成のバリエーションの豊富さと、層状構造の本質ともいえる層間のデカップリングに着目し、高いチューナビリティを実現する新規反強誘電体を開拓することを目的とする。第一原理計算によるスクリーニングを行った後、候補物質の合成・構造解析・誘電特性評価を行い、反強誘電性および相転移温度・電場の組成依存性を実験的に評価する。その結果を結晶化学的に理解することにより、自在な特性チューニングの指針を確立するとともに、層状物質における構造物性相関の学理の構築に繋げる。
これまで、Ruddlesden-Popper型層状ペロブスカイト酸化物A2A’B2O7を基点として、反強誘電性を示す物質の探索を行なってきた。前年度のLi2CaxSr1-xTa2O7固溶体に関する研究成果から、反極性-極性スイッチングを起こすにはより高い電場をかけるか、電界応答が強くなるような組成チューニングが必要であることがわかってきた。この研究成果を踏まえて、本年度はBサイトのTaをNbに置換によることにより、反極性-極性スイッチングの観察を試みた。Li2CaxSr1-xNbyTa2-yO7固溶体の合成、X線回折に基づく構造解析、誘電率の温度依存性や分極-電場曲線測定による誘電特性評価を行った。また焼結助剤の検討も行なった。結果として、xおよびyのチューニングにより、反強誘電スイッチングの兆候を観察するに至った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度のLi2CaxSr1-xTa2O7固溶体に関する研究成果踏まえて、反極性-極性スイッチングを起こすにはより高い電場をかけるか、電界応答が強くなるような組成チューニングが必要であることがわかってきた。この研究成果を踏まえて、本年度はBサイトのTaを、よりボルン有効電荷、すなわち電界応答性の高いNbに置換した固溶体Li2CaxSr1-xNbyTa2-yO7の合成と評価を行なった。
0.25<x<0.75、0<y<1の範囲でxおよびyを変化させたバルク試料を固相反応法により合成した。X線回折測定から、いずれのサンプルも反極性構造（空間群: Pnma）をもつことが明らかになった。焼結助剤として遷移金属酸化物を検討し、種々の濃度で添加したバルク試料を合成した。結果として、相対密度は添加濃度に対して明確な依存性を示さなかった。相対密度の高いサンプルに対して、電気分極-電場曲線測定を行なったところ、反極性-極性スイッチングの兆候を観察することができた。以上のように、本研究は概ね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の結果から、焼結助剤を使用せずに、より相対密度が高く絶縁性の高いバルク試料を合成することが本研究の鍵であることが明らかになった。そこで本年度はバルク試料の合成方法を再検討することを試みる。予備実験として、スパークプラズマ焼結法を用いてバルク試料を合成したところ、非常に緻密な試料（相対密度>95%）を得ることができた。スパークプラズマ焼結法で問題とされる炭素混入により、電気リークが見られたが、今後熱処理により改善し、電気分極-電場曲線測定を行う予定である。
スパークプラズマ焼結法による合成条件が決まれば、Li2CaxSr1-xNbyTa2-yO7固溶体について、xおよびyを網羅的に変化させて試料を合成し、結晶構造、相転移温度、誘電特性を系統的に調べる予定である。
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