強誘電・強弾性逐次相転移における巨大粒度効果の機構解明とその制御および利用

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04694
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 川路 均 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (10214644)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 強誘電体結晶 / 巨大粒度効果 / 強弾性ドメイン

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、強誘電体結晶において見られるミリメートル程度という通常では考えられないほどの非常に大きなサイズを境に相転移が出現/消失する「巨大粒度効果」の機構を明らかにすることを目的とするものであり、これらの単結晶試料を合成し、その強弾性ドメイン構造（強弾性ドメイン密度）を制御して、その相転移におよぼす効果を検証するものである。本年度の当初予定しとして、良質の単結晶試料の合成とドメイン密度の制御を試みた。CsZnPO4およびCsCoPO4の単結晶試料について、フラックス法による化学的に高純度でかつ欠陥などの物理的純度の高い単結晶試料の合成を行った。得られた試料について粉末X線回折実験を行い、単相の高品質な試料が得られたことを確認した。その後、1 mm3程度以上のサイズの単結晶および粉末試料について、その相転移挙動を示差走査熱量計によって調べた。CsZnPO4については、I-II相転移、II-III相転移が確認できたが、巨大サイズ効果を示すIII-IV相転移については、単結晶および粉末試料ともに観測できなかった。現在、比較的大きな単結晶試料について、高温でのアニールあるいは相転移温度以下の低温でのアニールにより相転移が現れないかの検討を行なっている。CsZnPO4単結晶試料のIII相での偏光顕微鏡観察を行ったところ、これまでの研究で観測された強弾性ドメインが観測できなかったことから、当初の予想通り強弾性ドメインがIII-IV相転移の巨大サイズ効果に関係していることが明らかになりつつある。当初の研究計画では、多量の強弾性ドメイン壁を減らす方向で制御する予定であったが、今後は強弾性ドメイン壁を導入する方向での制御を検討している。一方、CsCoPO4については、単結晶と粉末で異なる巨大サイズ効果を再現しており、強弾性ドメイン密度を減らす方向での制御を行う予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

初年度は(1)良質の単結晶試料の合成とドメイン密度の制御、(2)一軸応力下での相転移挙動の解明、(3)精密熱測定によるドメイン密度と相転移挙動の関連性の解明、(4)巨大粒度効果が期待される類似構造の酸化物の探査を行う予定であった。しかし、良質の単結晶試料の合成とドメイン密度の制御の段階で、従来の結果と異なる現象に遭遇した。CsZnPO4について、単結晶試料合成には成功しているが、単結晶試料において予想される巨大サイズ効果を示すIII-IV相転移が観測できなかった。また、偏光顕微鏡観察の結果、単結晶試料において予想された強弾性ドメインが観測できなかった。この結果は、強弾性ドメイン壁の密度と相転移挙動との関係性の解明という観点からは、非常に有用な情報であるが、当初の研究計画では、合成直後の単結晶試料においては、大量の強弾性ドメイン壁が存在し、その密度を一軸応力を加えることによって減少させる方向で制御することとしていたため、逆に強弾性ドメイン密度を増やす方向での研究の必要が生じている。一方、CsCoPO4については、従来の結果を再現できているため、CsZnPO4については単結晶試料合成条件の再検討も求められている。このように、当初計画の(1)および(2)の点で進捗が遅れたため、(3)および(4)については手つかずとなっており、次年度以降に精力的に進めたい。

Strategy for Future Research Activity

平成31年度以降は初年度に得られた成果を整理し、巨大粒度効果の起源を突きとめる方策を再検討し、新たな研究を展開することとしている。強弾性ドメイン構造の制御方法について再検討を行いつつ、同様の試料合成・測定に加えて、機構解明のための解析および巨大粒度効果が期待される類似構造の酸化物の探査に重点を当てて研究を推進する。特に第一原理格子力学計算および分子動力学シミュレーションを用いた格子振動スペクトルおよび相転移挙動の検討を行うとともに、強誘電ドメイン構造が相転移におよぼす影響についてモデルを構築し，巨大粒子効果を評価する方法の確立を目指す。得られた実験結果をもとに結晶中での巨大粒度効果の機構を解明し、この現象の相転移挙動の制御への可能性の検討を行う。もしも、強誘電ドメイン構造が主要な原因であることが明らかになれば、異方的な歪みによる相転移挙動の制御について詳細に検討することができる。本研究で取り扱う系は自発歪が現われるもう1つの「強」物性である強弾性と強誘電が同時に現われる系であり、本研究で取り扱う巨大粒度効果は新しいマルチフェロイック現象の一つであるとも考えられる。このため、マルチフェロイックに関係した別の新しい現象が現われる可能性もあり、この点についても調査したい。

Causes of Carryover

当初研究計画で予想と少し異なる結果が出たため、特に精密熱測定の実施が遅れた。このため、実験に用いる冷媒（液体ヘリウム）の購入量が少なくなったため、物品費の使用が少なくなった。今後は、頻繁に精密熱測定を行うため、これらを使用する予定である。