Domain engineering of relaxor thin films using structure gradient region

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02421
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
• Research Institution: Kumamoto University (2021); Tohoku University (2019-2020)
• Principal Investigator: Kiguchi Takanori 熊本大学, 先進マグネシウム国際研究センター, 教授 (70311660)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 智明 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (80509349) ; 今野 豊彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90260447) ; 白石 貴久 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (50758399)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: リラクサー / ドメインエンジニアリング / MPBエンジニアリング / PMN-PT / 薄膜 / 弾性場 / STEM / EELS

Outline of Final Research Achievements

The effect of elastic strain of substrates on Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 epitaxial thin films was elucidated. The composition of the morphotropic phase boundary (MPB) of PMN-PT thin films deposited on SrTiO3(001), LSAT(001), KTaO3(001) substrates was changed by the strain induced by the thermal stress. On the other hands, the strain fields around the misfit dislocation core acted as the nucleation sites of the 90 degree domains of the tetragonal phase, and the width was decided by the interference among the domains. Thus, the thermal and lattice mismatches between the film and the substrate was found to be the dominant factor of the MPB and the domain engineering, respectively.

Free Research Field

材料工学、結晶工学、電子顕微鏡学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果は、リラクサー薄膜の強誘電性・圧電性を決定づける組成相境界(MPB)組成域とドメイン構造が、それぞれ薄膜基板間の熱応力と格子ミスマッチにより決定されることを実験的に解明した点に学術的な意義を持つ。特に、組成だけでなく残留歪み状態が機能発現の要であるMPBを決定づけることから、リラクサーや強誘電体薄膜の材料設計において歪み状態の制御が重要な意味を持つことが明らかとなり、これからのIoT社会に不可欠である圧電センサーやアクチュエーターの材料開発の基盤として、社会的意義をもつ。