熱応力によるチタン酸ストロンチウム単結晶膜の強誘電性誘起とその発現機構の解明

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20860036
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 山田 智明 Tokyo Institute of Technology, 大学院・総合理工学研究科, 特任助教 (80509349)
• Keywords: 強誘電体薄膜 / 誘電体物性 / エピタキシャル・単結晶成長 / 歪み・応力

Research Abstract

有害元素を含まない環境調和型の強誘電体材料の研究が盛んに行われている。しかし、強誘電性をもたらす歪んだ格子構造を安定化する鉛のような孤立電子対を持つイオンの代替には限りがある。一方で、薄膜の場合には、基板の拘束によって格子を歪ませることができるため、チタン酸ストロンチウム(SrTiO_3)のような本来強誘電性を示さない材料においても強誘電性の発現が可能となることから、新たな格子歪みの安定化手法として期待できる。本研究では、主に基板と薄膜の熱応力、すなわち熱膨張係数のミスマッチの利用に注目し、SrTiO_3薄膜の強誘電性の発現とその機構解明を行った。
最終年度は、CaF_2を始めとする各種基板上における薄膜合成条件の更なる最適化と、得られた膜の特性評価、他組成薄膜への応用を行った。得られた成果は以下の通りである。
・CaF_2上に成長した膜の冷却速度の制御により、クラックの発生による歪み緩和を最小限に押さえた。
・得られた薄膜の格子定数の温度依存性を明らかにした。その結果、-0.9%の歪み(100)SrTiO_3薄膜の強誘電相転移温度は約140Kと見積られ、理論予測と一致した。
・酸素8面体の微小回転による構造相転移(Antiferrodistortive相転移)温度の歪み依存性を、シンクロトロンXRDおよびTEMを用いて明らかにした。観測された構造相転移温度は理論予測よりも大幅に高く(-0.9%の歪み薄膜では約360K)、強誘電特性へ与える影響はこれまでの予測と大きく異なる可能性が示唆された。
・SrTiO_3の他に(Ba,Sr)TiO_3についても薄膜を作製し、歪みと強誘電相転移温度との関係を明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Antiferrodistortive Structural Phase Transition in Compressively-strained Epitaxial SrTiO_3 Film Grown on (La, Sr) (Al, Ta) O_3 Subtrate (2010)
  • Author(s): T.Yamada, T.Kiguchi, A.K.Tagantsev, H.Morioka, T.Iijima, H.Ohsumi, S.Kimura, M.Osada, N.Setter, H.Funakubo
  • Journal Title: Integrated Ferroelectrics (In press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of Epitaxial Growth Orientation on Residual Strain and Dielectric Properties of(Ba_(0.3)Sr_(0.7))TiO_3 Films Grown on In-plane Compressive Substrates (2010)
  • Author(s): T.Yamada, T.Kamo, D.Su, T.Iijima, H.Funakubo
  • Journal Title: Ferroelectrics (In press)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 歪みエピタキシャル(Ba, Sr)TiO_3薄膜の強誘電相転移温度の配向依存性 (2010)
  • Author(s): 山田智明, 多久和至, 加茂嵩史, 飯島高志, 舟窪浩
  • Organizer: 日本セラミックス協会2010年年会
  • Place of Presentation: 小金井市東京農工大学
  • Year and Date: 2010-03-23
• [Presentation] 歪みエピタキシャル(Ba, Sr)TiO_3薄膜における誘電特性の配向依存性 (2010)
  • Author(s): 山田智明, 多久和至, 加茂嵩史, 飯島高志, 舟窪浩
  • Organizer: 第57回応用物理学関連連合講演会
  • Place of Presentation: 平塚市東海大学
  • Year and Date: 2010-03-18
• [Presentation] Strain-Controlled Epitaxial Perovskite Films For The Induced Ferroelectricity (2009)
  • Author(s): T.Yamada, T.Kamo, A.K.Tagantsev, I.Takuwa, T.Kiguchi, T.Iijima, M.Osada, O.Sakata, D.Su, N.Setter, H.Funakubo
  • Organizer: International Conference on Electroceramics 2009(ICE2009)
  • Place of Presentation: New Delhi, India
  • Year and Date: 2009-12-17
• [Presentation] 面内圧縮歪みチタン酸ストロンチウム薄膜におけるAntiferrodistortive相転移と強誘電相転移 (2009)
  • Author(s): 山田智明, A.K. Tagantsev, 木口賢紀, 飯島高志, 長田実, J. Trodahl, 森岡仁, N. Setter, 舟窪浩
  • Organizer: 日本物理学会領域10誘電体分科第1回誘電体若手秋の学校
  • Place of Presentation: 熱海市熱海研修センター
  • Year and Date: 2009-10-11
• [Presentation] Impact of Strain Modulation on Two Instabilities in(100)-Epitaxial SrTiO_3 Thin Films (2009)
  • Author(s): T.Yamada, A.K.Tagantsev, T.Kiguchi, T.Iijima, M.Osada, J.Trodahl, H.Morioka, N.Setter, H.Funakubo
  • Organizer: Joint meeting of 12th International Meeting on Ferroelectricity and 18th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics(IMF-ISAF-2009)
  • Place of Presentation: Xian, China
  • Year and Date: 2009-08-26
• [Presentation] Strong Orientation Dependence of Strain Relaxation in Epitaxial(Ba, Sr)TiO_3 Films and the Resulting Dielectric Properties (2009)
  • Author(s): T.Yamada, T.Kamo, D.Su, T.Iijima, H.Funakubo
  • Organizer: Joint meeting of 12th International Meeting on Ferroelectricity and 18th IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics(IMF-ISAF-2009)
  • Place of Presentation: Xian, China
  • Year and Date: 2009-08-24