2021 Fiscal Year Research-status Report

Triboelectric generation of ferroelectric films

Research Project

Project/Area Number	21K18715
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	田口大東京工業大学, 工学院, 准教授 (00531873)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	間中孝彰東京工業大学, 工学院, 教授 (20323800)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2024-03-31
Keywords	電子・電気材料 / 誘電体物性 / 摩擦発電 / 永久双極子 / 自発分極 / 強誘電体 / 反強誘電体 / 抗電界
Outline of Annual Research Achievements	強誘電体は、磁石が鉄を吸い付けるように、正または負の電気を引き付けます。この性質を利用して、強誘電体のフィルムを曲げることで電気の引き付け度合いを変えて変位電流を流し、発電源として利用できます。振動発電として研究が活発化しています。電流の流れ方は変位電流と導電電流の２つがあります。強誘電体の発電源としての働きも、振動発電に活かされている変位電流とともに、導電電流による発電があるはずです。本課題では、導電電流として摩擦発電に着目し、導電電流による発電源としても強誘電体を利用することで、２倍の発電源としてエネルギーを引き出すことを目指しています。初年度は、研究計画に従い、下記の通り研究を進めました。１．強誘電体（P(VDF-TrFE)）の製膜条件および分極形成条件を決めました。抗電界の測定により、強誘電相が発電していることを確認しました。２．摩擦発電システムでI-V特性を測定し、摩擦発電特性を評価しました。VDF:TrFE比70:30のP(VDF-TrFE)のガラス基板上スピンコート膜（分極形成処理前）の発電フィルムの測定を実施し、電流源Is＝10.8 nA、内部抵抗Ri＝0.22 TΩを電源の等価回路パラメータとして得ました。３．乾燥窒素中で摩擦電流の温度特性評価を行い、強誘電相で摩擦による電流が増大することを見出しました。今後は光学的測定（SHG測定）による発電ミクロ起源の決定と、強誘電体の物性値（抗電界、自発分極、誘電緩和時間）と発電特性の関係を追求し、発電特性の向上を進めます。また、成果をまとめ、論文の出版及び学会で発表により公表します。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究は強誘電体の摩擦発電実現を目的とする。強誘電体を発電源とする場合、材料の持つ自発分極を利用して外部電極に変位電流を流す方法が主に利用されている。例えば、強誘電体から電気エネルギーを取り出す方法として振動発電があり、変位電流に着目した研究が活発化している。しかし、電流の起源は変位電流と導電電流の２つがあり、変位電流だけではなく、導電電流をつくりだす発電も可能と期待し、本研究を進めている。初年度は研究計画に従い、下記の通り研究を進捗させた。（A）強誘電体膜の作製：P(VDF-TrFE)膜の製膜と分極形成条件を決めた。作製した膜が強誘電相を実際に発現していることを、MIM構造素子を作製して変位電流測定を行い、抗電界が外部電界の極性反転について対称に現れ、大きさを文献値を比較し、確認した。P(VDF-TrFE)は、VDF:TrFE=70:30の粉末状試料をMEK溶液としてから製膜した。摩擦発電用の膜は、摩擦を行うために両面に電極を作製することはできないため、分極形成処理は導電性ブラシで製膜したP(VDF-TrFE)の表面を掃いて、実効的に抗電界より十分大きな電界がP(VDF-TrFE)膜に加わる条件とすることで実施した。（B）強誘電体膜の摩擦発電測定システムを構築し、電源の等価回路パラメータを評価した。また、安定した測定系とするため、チャンバ内で摩擦しながら電気的・光学的評価ができるようにした。トルク計で摩擦によるトルクを測定しながらの発電特性評価ができるように組み込みを行い、摩擦の条件をトルク変化2 mNmで行うこととした。（C）強誘電体膜の発電ミクロ起源（電荷変位と双極子）を明確化するためのSHG測定系の構築を行った。強誘電膜の相転移による発電特性を評価するため、試料温度を変えられる測定系として構築した。構築済みの範囲では室温～250℃に制御できる。
Strategy for Future Research Activity	初年度は評価系の構築と試料作製の２班に分かれて実施した。評価系の構築では、電気的測定（I-V特性による発電特性評価）と光学的測定（SHG測定）の評価系を構築した。試料作製は強誘電体として具体的にP(VDF-TrFE)を製膜して強誘電相を発現している確認までを行った。そして、摩擦電流の温度特性評価を実施し、強誘電相で摩擦による電流が増大することを見出した。以上の通り基本的な評価システムは初年度に構築済みである。また、温度と湿度を制御したチャンバ内で測定ができる状況にできた。この状況の上に立って、今後は、当初計画の通り、以下の項目を中心として研究を進める。 (a)分極形成処理条件と摩擦発電特性（I-V特性）による電源の等価回路パラメータの評価結果を比較し、製膜条件と発電特性の関係を明確化する。 (b)光学測定（SHG測定）によるP(VDF-TrFE)膜の発電ミクロ起源（電荷変位と双極子回転）を評価するレーザー波長の決定する。これにより、摩擦発電により強誘電体から電気エネルギーを取り出す際に、どの割合が電荷変位であり、その割合が双極子回転であるかの決定を試みる。 (c) 強誘電体の物性値（抗電界、自発分極の極性と分極電荷密度、誘電緩和時間）を評価し、項目(a)の発電特性との結びつきをふまえて検討する。更に、初年度に温度を変えた実験結果を得ることができた。この結果から、強誘電相と常誘電相を温度により可逆的に行き来するのに伴い、摩擦発電特性も可逆的に変化する結果を見出した。これは、強誘電体の向きをそろえた永久双極子が、摩擦発電の起源そのものに大切な役割を果たすことを捉えた結果とも考えられる。温度特性について、相変化の観点から、さらに研究を進める。十分に研究が進捗した場合には、強誘電相だけではなく、反強誘電相をとるP(VDF-TrFE)についても評価を行う予定とする。