2021 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of Innovative Energy Storage Devices Using Atomic Layer Technology
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21H05015
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
長田 実 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (10312258)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森 茂生 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20251613)
小林 亮 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 准教授 (50613395)
山本 瑛祐 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (60827781)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | 酸化物原子膜 / ナノシート / 誘電体 / 蓄電キャパシタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次世代蓄電デバイスの開発を目指した新たな試みとして、層状酸化物の単層剥離により得られる酸化物原子膜「ナノシート」に注目し、ナノシートをベースとする革新的誘電材料・デバイスの開発を行う。本年度は、高誘電性ナノシートにおける臨界物性の検証とともに、特性制御による高誘電率化を目指した研究を進めた。
KNbO3, KLaNb2O7, KCa2Nam-3NbmO3m+1 (m = 3~6)およびその同型置換体の単層剥離により、ペロブスカイト１格子単位(~ 0.4 nm)で厚みを精密に制御したペロブスカイトナノシートを合成し、走査型プローブ顕微鏡により0.5 ~ 3 nmの臨界膜厚での誘電・強誘電物性の検証を行った。その結果、ナノシートでは、従来材料 (BaTiO3など) で臨界膜厚とされる~1.5 nm (3格子)以下においても誘電・強誘電物性が維持されることを確認した。この知見をベースに、蓄電デバイス応用に好適な高誘電率と高耐電圧を併せ持つ新材料の開発を行った。ナノシートで最高の誘電率 (>500)を示すCa2Nam-3MmO3m+1（M= Nb, Ta）に対して、元素置換による高誘電率化やバンド構造制御による耐電圧特性の制御を試みた。その結果、Bi, Ti置換による特性制御を実現し、特に、Bi, Ti同時置換体において巨大誘電率 (>1000)を有する新材料を発見した。さらに、高誘電性ナノシート開発の新しい試みとして、BaTiO3のナノシート化に挑戦した。最近開発した鋳型合成法を利用し、厚さ1 nmのTiO2ナノシートを鋳型とした表面トポタクティック反応により、膜厚~1.5 nm（3格子）のBaTiO3ナノシートの合成に成功した。走査型プローブ顕微鏡による特性評価の結果、ナノシートでは表面構造緩和により巨大分極が発現することを見出した。
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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
当初予定していた高誘電性ナノシートの臨界物性検証とともに、特性制御による高誘電率化が実現し、蓄電デバイス応用への新展開が図れた。特に、巨大誘電率を有する新材料の開発とともに、BaTiO3ナノシートの合成に成功した点は大きな収穫であり、当初を上回る成果であった。尚、巨大誘電率材料については産業応用の観点からも重要であり、論文投稿とともに、特許出願を行った。また、次年度に計画している集積技術、蓄電特性評価についても一部前倒しで推進した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度開発した巨大誘電率を示すBi, Ti同時置換体をベースに、第一原理計算に基づく材料設計により元素置換やバンド構造制御を行い、分極構造の最適化による誘電率の向上や耐電圧特性、耐熱性の制御を試みる。新規高誘電体の候補物質の絞り込みのため、材料インフォマティクスを利用したデータ駆動型材料探索も実施する。さらに、薄膜・デバイス製造、蓄電特性評価にかかわる多角的な検討を行い、革新的誘電材料・デバイスの研究を加速させる。
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