2021 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of evaluation methods for the physical properties of ferroelectrics using coherent state of the elementary excitation and the device applications
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19H05618
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
藤村 紀文 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50199361)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉村 武 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30405344)
是枝 聡肇 立命館大学, 理工学部, 教授 (40323878)
佐藤 琢哉 東京工業大学, 理学院, 教授 (40451885)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / 素励起 / コヒーレント状態 / 急峻スイッチトランジスタ / 負性容量 / 電気熱量効果 / 熱マネジメントデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
・2020年に作成した高品質の(Hf,Zr)O2極薄膜(10nm)試料を用いて，負性容量FETの機構解明に対して重要な情報である「分極保持中の内部電荷移動」の正確な評価法を開発した．
・「急峻スイッチトランジスタ（負性容量FET）動作の新しい物理描像」として，強誘電体/半導体界面における減分極電界と半導体表面に形成する空乏層の形成の影響であることを明らかにした．
・コヒーレントフォノン/マグノンの評価において，YMnO3やBiFeO3薄膜を用いた評価は，100nm以上の膜においては評価が可能になっている．時間遅延を作るためにシェイカーを用いた評価方法を開発し，より薄い膜での評価や弱励起での評価が可能になり10nm厚のHfO2系極薄膜を用いた評価の可能性が広がった．素励起（電気分極）を伴うテラヘルツ電磁波（チェレンコフ放射）が試料内に伝播する様子を時間分解イメージングするシステムを構築した．このシステムを用いて，強誘電体中にフェムト秒光パルスを照射して生じるチェレンコフ放射の生成メカニズムを明らかにした。マルチフェロイック物質であるBiFeO3における円偏光ラマン散乱分光では，試料内の互いに120°異なる方向を向く約20ミクロン以下のサイズの磁気ドメインの可視化に初めて成功した．また，顕微円偏光ラマン散乱分光法を用いて，単一の磁気ドメインにおけるマグノンの分光に成功した．
・強誘電体の電気熱量効果の計算機シミュレーションを行い，強誘電体薄膜を用いても高周波駆動することによって固体ヒートポンプとしての駆動が可能であることが明らかにした．熱波動測定では，熱グレーティング法を発展させ，約20Kにおける量子常誘電体であるSrTiO3にて，明瞭な振動状態の熱波動（第二音波）の励起に成功した．また，熱ダイオードのシミュレーションでは熱波動の内部全反射を利用した一方向性デバイスのデモンストレーションに成功した.
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
【HfO2系極薄膜の作製と評価】準安定相が強誘電性を示すHfO2系極薄膜の特徴である、常誘電性と強誘電性が混在している状態の分極反転やその時間変化の新規な評価手法を見出し、HfO2系極薄膜の内部電荷移動に関する重要な知見を得た．本研究の本質である，素励起を利用した分極反転のダイナミクスの評価結果を正しく議論するための基礎的な情報が得られたと考えている．
【強誘電体の素励起評価方法】2021年度から試料作製と評価方法の確立のグループ間交流が本格化する予定であったが，コロナ禍の移動制限のため，大きな後れが生じた．しかしながら，各グループ内で，薄膜試料に対応するための精密評価方法の確立や新たな素励起評価手法の開発など，新規な成果が次々と報告された．「マグノンと光との間の角運動量の授受」や「マグノンとフォノン・ポラリトンの時間分解イメージング測定」などに加えて，素励起（電気分極）を伴うテラヘルツ電磁波（チェレンコフ放射）が試料内に伝播する様子を時間分解イメージングするシステムを構築し，強誘電体中にフェムト秒光パルスを照射して生じるチェレンコフ放射の生成メカニズムを明らかにした．また，マルチフェロイック物質であるBiFeO3における円偏光ラマン散乱分光では，試料内の互いに120°異なる方向を向く約20mm以下のサイズの磁気ドメインの可視化に初めて成功し，単一の磁気ドメインにおけるマグノンの分光に成功した．
【熱波動測定】サーモリフレクタンス法とシミュレーションを組み合わせた解析に必要な電気熱量効果によって得られた熱の運搬・吸熱・発熱に関するデータの収集が可能になった．熱波動測定では，熱グレーティング法を発展させ，約20Kにおける量子常誘電体であるSrTiO3にて，明瞭な振動状態の熱波動（第二音波）の励起に成功した．熱ダイオードのシミュレーションでは熱波動の内部全反射を利用した一方向性デバイスのデモンストレーションに成功した．
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| Strategy for Future Research Activity |
1.電界を印加せずに評価する HfO2 系極薄膜の内部電荷移動の正確な評価方法を新規に構築することができたので，空間電荷の時間変化などが生じない高品質 HfO2系強誘電体極薄膜を見分けることが容易になった.この評価方法を用いて，高品質 HfO2系の作製を精力的に進める. 2.HfO2 系極薄膜として，当初予定していた HfO2:Y や(Hf,Zr)O2だけでなく，希土類イオンをドーピングした HfO2:X 試料を用いることを新たに追加する.3.強誘電性自発分極の分極反転ダイナミクスおよび双安定性のパルス電場に対する過渡応答を電気的，誘電的に測定し，シミュレーションパラメーターとして利用する. 4.フェムト秒光パルスを強誘電体に照射することで試料外に放射されるテラヘルツ波を時間分解測定する系を構築し，テラヘルツ放射を伴う素励起（電気分極）の3次元的運動を得ることをめざす．5.BiFeO3における円偏光ラマン散乱分光ではマグノンと光との間で角運動量の授受があることがわかったが，その物理的な原理の詳細は不明である．理論的な側面からもアプローチを続ける．6. 有機強誘電体材料内および有機強誘電体／電極界面での熱拡散に関して，サーモリフレクタンス法とシミュレーションを組み合わせた解析を実施する．7.ピコ秒レーザーをポンプ光に用いるインパルシブ誘導熱/ブリルアン散乱システム用いてコヒーレント第二音波を発生させる. 7.二次元的な初期温度の振幅・位相パターン(熱ホログラフィ)や，時間変化するダイナミックな初期温度分布を励起することに挑戦する.それによって，熱の波動性をより顕著に引き出すことが可能となる. 8. 熱ダイオードについてはたとえば異なる熱波動速度を持つSrTiO3とKTaO3，あるいはSrTiO3とダイヤモンドなどで，臨界角を越える角度で接する境界面をシミュレートするなど，現実の物質での実現可能性を踏まえた考察を進める．
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[Presentation] N,N'-dimethylformamide sensor in a contaminated solution based on the specific interaction on molybdenum disulfide2021
Author(s)
Akito Fukui,Hiroaki Onoe,Shun Itai,Keiko Ishikura,Hidekazu Ikeno,Yuh Hijikata,Jenny Pirillo,Takeshi Yoshimura,Norifumi Fujimura,Daisuke Kiriya
Organizer
2021 MRS Fall Meeting & Exhibit
Int'l Joint Research
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