2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of charge and spin functionality via domain engineering
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20H02614
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
片山 司 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (50784617)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 機能性酸化物薄膜 / 強誘電 / 磁性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
遷移金属酸化物は遷移金属元素の種類と結晶構造の組み合わせにより、光触媒・高温超伝導・巨大磁気抵抗・強誘電などの多種多様な物性を示すため、基礎研究から応用開発まで精力的な新奇物性探索が展開されている。中でも最近注目され始めたのが、ナノドメイン構造制御による機能拡張である。例えば、ドメイン境界を活用することでバンドギャップ以上のエネルギーの光起電力を得ることや、磁気スピン秩序を反強磁性から強磁性に変調すること、さらに二次元超伝導の発現など様々な新奇物性が報告されている。この様なドメイン由来の新奇物性を広く活用する上で、高密度ドメインを酸化物中に形成することが重要となる。しかしながら、これまで酸化物薄膜でのドメイン密度(単位面積当たりのドメイン数)は小さく、マクロ物性への影響は限られていた。2021年度、申請者はマルチフェロイック材料の六方晶希土類酸化物(h-RFeO3)系材料に注目し、研究を進めた。申請者は希土類イオンの大きさを制御することで、h-RFeO3薄膜内にP63cm構造とP-3C構造から成る高密度ドメインを膜内に形成し、この系で初めての室温反強誘電特性の発見に成功した。さらに、膜厚を系統的に変化させることで強誘電―反強誘電相転移を温度変化により引き起こすことに成功した[B. Chen, T. Katayama* et al., J. Mater. Chem. C 10, 5621 (2022).]。またこの反強誘電-強誘電転移温度はc/a値の制御により変化させることができた。さらに申請者はダブルペロブスカイトRBaCo2O5.5を対象に研究を進め、結晶ドメインを導入することで磁化の変調を可能にした[T. Katayama* et al., Chem. Mater. 33, 5675 (2021).]。
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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
2021年度はh-RFeO3材料、ダブルペロブスカイトRBaCo2O5.5の２つの材料での研究を進めた。いずれの材料においても結晶ドメインの導入により物性を大きく変調することができた。そのため、当初目的としていた材料系の探索が順調に進んでいると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度、申請者はマルチフェロイック材料の六方晶希土類酸化物(h-RFeO3)系材料に注目し、研究を進めた。申請者は希土類イオンの大きさを制御することで、h-RFeO3薄膜内にP63cm構造とP-3C構造から成る高密度ドメインを膜内に形成し、この系で初めての室温反強誘電特性の発見に成功した。さらに、膜厚を系統的に変化させることで強誘電―反強誘電相転移を温度変化により引き起こすことに成功した[B. Chen, T. Katayama* et al., J. Mater. Chem. C 10, 5621 (2022).]。またこの反強誘電-強誘電転移温度はc/a値の制御により変化させることができた。この様な反強誘電材料では電場により強誘電構造と反強誘電構造をスイッチングすることができるため、巨大な電気熱量効果が生まれることからも注目を集めている。またh-RFeO3はマルチフェロイック材料（磁気秩序と強誘電秩序の二つの強的秩序を併せ持つ材料）のため。磁場による強誘電－反強誘電スイッチングも可能である期待がある。そこで2022年度、申請者は磁場印加による強誘電－反強誘電スイッチングを目指す。またダブルペロブスカイトRBaCo2O5.5の研究では、結晶ドメインを導入することで磁化の変調を可能にした[T. Katayama et al., Chem. Mater. 33, 5675 (2021).]。今後、この系に関しては光印加による物性変調も視野に入れて研究を進める。さらに、他の材料系に対しても研究を進める。特に室温マルチフェロイック材料であるGaFeO3型材料に注目し、その材料のナノドメイン化とドメイン制御、そして新たな物性開拓を進める。
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