2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of ferroelectric mesocrystalline nanocomposites and clarification of their gigantic piezoelectric and dielectric effects mechanism
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21K04832
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| Research Institution | Kagawa University |
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Principal Investigator |
馮 旗 香川大学, 創造工学部, 教授 (80274356)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ナノ複合メソクリスタル / 強誘電性 / 巨大圧電効果 / 巨大誘電効果 / 結晶格子歪み / ソフト化学法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、独自で開発したソフト化学法を用いて結晶方位を揃えた二種類のナノ結晶から構成された強誘電性ナノ複合メソクリスタルを作製し、結晶格子歪みの制御による高性能圧電・誘電体材料を開発する。2021年度はBaTiO3/HTO（BT/HTO）ナノ複合中間体からBaTiO3/(Bi0.5K0.5)TiO3（BT/BKT）ナノ複合メソクリスタルを合成し、ナノ構造解析および誘電特性と圧電特性評価を行った。2022年度は、BT/HTOをCa(OH)2溶液中でソルボサーマル反応させ、BaTiO3/CaTiO3（BT/CT）ナノ複合メソクリスタルの合成を行った。合成したBT/CTナノ複合メソクリスタルは[110]結晶軸に配向したBTナノ粒子と[001]結晶軸に配向したCTナノ粒子から構成されているBTとCTナノ結晶は3次元エピタキシャル界面を形成したことが確認された。得られたBT/CTナノ複合メソクリスタルの誘電特性と圧電特性評価を行った。BT/CTナノ複合メソクリスタルは、強誘電性を示し、BTおよびCT単相より高い圧電定数（d33）を示した。BTの格子定数はCTより大きいため、 BTとCTナノ結晶の3次元エピタキシャル界面形成によって、結晶格子ミスマッチによる格子歪みが発生し、圧電効果の増大が得られた。さらに3次元エピタキシャル界面を形成したBT/CTナノ複合メソクリスタルは、2次元エピタキシャル界面を形成したBT/BKTナノ複合メソクリスタルより高い圧電定数（d33）を示した。この結果から2次元エピタキシャル界面よりも3次元エピタキシャル界面の方が結晶格子歪みによる圧電効果増大効果が高いことを明らかにした。
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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
本研究は、主に「ナノ複合メソクリスタルの作製とナノ構造解析」と「メソクリスタルの圧電・誘電特性評価と解析」の二つの部分からなる。これまでBT/HTOからBT/ST、BT/BNT、BT/BiTナノ複合メソクリスタルの合成に成功した。2021年度はBT/HTOからBT/BKTナノ複合メソクリスタルの合成に成功し、さらに2022年度はBT/CTナノ複合メソクリスタルの合成に成功し、ナノ構造解析を行い、誘電特性と圧電特性評価を行った。これらの結果から、反応温度、濃度、溶媒等の条件を制御すればBT/BKTやBT/CTナノ複合メソクリスタルを合成できることを明らかにした。ナノ構造解析により、BT/BKTナノ複合メソクリスタルでは2次元エピタキシャル界面が形成され、BT/CTナノ複合メソクリスタルでは2次元エピタキシャル界面が形成されることを解明した。特性評価に関しては、結晶格子ミスマッチによる格子歪みによる圧電特性の向上が見られ、3次元エピタキシャル界面の形成は、2次元エピタキシャル界面の形成より、圧電特性の向上効果が大きいことを新たに発見し、新たな知見が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度はHTO板状粒子の半分をSr(OH)2と反応させ、ST/HTOナノ複合メソクリスタルを合成し、ST/HTO中間体からST/CT、ST/BNT、ST/BKT、ST/BiTナノ複合メソクリスタルの作製を検討する。作製した各種ナノ複合メソクリスタル試料の強誘電特性、圧電特性、誘電特性を評価する。強誘電体特性評価装置を用いて作製したナノ複合メソクリスタルの分極-印加電場（P-E）ヒステリシス曲線を測定し強誘電特性を評価する。誘電特性評価装置を用いて誘電率およびその温度依存性を測定し、誘電率の増大効果およびキュリー温度の向上効果を調べる。圧電効果について、ピエゾ応答顕微鏡（PFM）を用いてナノ複合メソクリスタル板状粒子の圧電特性を評価する。ナノ構造解析・組成解析等の結果と強誘電特性、圧電特性、誘電特性の測定結果と比較し、ナノ複合メソクリスタルの格子定数ミスマッチによる格子歪み、異なる結晶系や結晶構造の組合せ、強誘電性や常誘電性の組合せ等による影響を系統的に解析し、巨大圧電効果・巨大誘電効果の発生メカニズムと最適な組合せを系統的に解明する。
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| Causes of Carryover |
2022年度はコロナ感染の影響で予定した学会出張を減らしたため、すこし残額があるが、金額が少ない。残額分は2023年度の研究に利用し、研究を確実に進めるようにする。
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