2021 Fiscal Year Annual Research Report
Design on Mechanical and Multi-Physics Properties of Nano-Structured Meta-Interface
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18H05241
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
北村 隆行 京都大学, 情報学研究科, 名誉教授 (20169882)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澄川 貴志 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (80403989)
嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 教授 (20534259)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノ構造 / メタ界面 / 力学 / マルチフィジックス / 設計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度の研究実績は、以下のように纏めることができる。1．現有の動的斜め蒸着法を用い、機能性メタ界面作製手法の検討を行った。これまではSi、Ti、CuおよびAuなどの単元素材料を用いてメタ界面の作製を行っていたが、他材料への拡張を目的として、酸化タンタル等の酸化物を用いて作製を実施した。酸化物は、様々な物理特性を有する材料が存在することから、機能性メタ界面を実現する上で重要な材料である。結果として、らせん、棒およびジグザグ等の所望の形状を実現できた。また、特に高融点材料では、拡散の程度が低いため、初期形成核の裏への原子の回り込みが少なく、正確にナノ要素の形状を制御したメタ界面を実現できることがわかった。2．次年度実施予定のマルチフィジックス実験のために、圧電応答顕微鏡内で負荷実験ができるマルチフィジックス試験装置の検討と設計を行った。3．前年度に引き続き、モット絶縁体である酸化バナジウムについても力学負荷を与えた際のマルチフィジックス特性について評価を行った。材料寸法を微細化していくと、ヒステリシスの少ない温度－抵抗値関係が得られることがわかった。また、主ひずみの方向と特定の原子配置を一致させることで、感度が向上することを示した。4．Phase-field法と有限要素法を組み表せたマルチフィジックス解析手法を構築し、これによって強誘電メタ界面における固有の微視的分極組織と分極-電場ヒステリシス応答を解明した。
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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
令和3年度は、研究計画の上では「研究深化段階」としての位置づけであり、申請時の具体的内容は、1. 機能性メタ界面作製手法、2. マルチフィジックス試験装置の開発、および、3. ナノ要素のマルチフィジックス特性評価とメタ界面の設計である。申請時の予定に沿って、まず機能性メタ界面の作製手法について検討を行った。動的斜め蒸着法を用いて、酸化タンタル等の酸化物を用いたメタ界面の作製を行った。また、マルチフィジックス試験装置については、圧電応力顕微鏡によってナノサイズの対象材料に負荷を与えながらマルチフィジックス特性を計測できる試験装置を設計したが、コロナ禍に伴う半導体・樹脂材料の納入遅延に起因して期間内での顕微鏡の導入が困難なことが判明したため、繰り越し申請を行い、次年度に開発することとした。マルチフィジックス特性の理論解析の基盤として、Landau現象論に基づき、強誘電分極組織の時間発展と熱力学的平衡状態の解析が可能なPhase-field計算と、任意の力学的・電気的境界条件下での力学解析が可能な有限要素法を組み合わせたPhase-field有限要素解析技術を開発した。本解析によりナノメタ構造に依存して微視的な分極組織が異なることを示し、電場－分極のヒステリシス応答が微視構造によって制御できることを示した。また、実験を担当する澄川が京都大学内の他研究科（他キャンパス）に異動することとなったため、本研究における実験に必要な装置の移動・設置費用を計上した。このため、当該年度に購入予定であった電子線後方散乱回折装置を取りやめ、現有のTEM内での電子線回折像により、ナノ要素の結晶方位および結晶性を特定した。これらの物品の研究経費の使用計画を変更したが、適宜、対策を取ることにより、計画通りに研究を遂行した。コロナや異動に伴って予算使用の変更を行ったが、研究はおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画に沿って研究を実施する予定である。令和4年度の計画は、令和3年度に引き続き、“機能性材料メタ界面作製手法・マルチフィジックス試験装置の開発”、“メタ界面の力学特性評価”、および、“ナノ要素のマルチフィジックス特性評価とメタ界面の設計”である。機能性メタ界面の作製手法については、ドライエッチングを用いて酸化物のナノ要素の作製を試みる。マルチフィジックス試験については、透過型電子顕微鏡内でナノ要素に対する負荷実験を実施し、装置については、圧電応答顕微鏡内で負荷実験が可能な試験システムを導入して負荷実験を行う予定である。さらに、強誘電体による機能性メタ界面のみならず、磁性体にまで拡張した解析評価を行い、より高度な界面機能の解明を行う予定である。
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