2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of ferroelectric superlattice thin films for next-generation energy storage devices
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22K14479
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
松尾 拓紀 熊本大学, 国際先端科学技術研究機構, IROAST准教授 (10792517)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / エピタキシャル薄膜 / パルスレーザー堆積法 / エネルギー貯蔵 / バッファ層 / 反強誘電体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はBaTiO3 (BT)エピタキシャル薄膜及びバッファ層の製膜条件探索を行った。バッファ層として(Ba, Sr)TiO3 (BST)、下部電極としてSrRuO3 (SRO)、基板としてSrTiO3 (100)ステップテラス単結晶基板を用いた、BT/BST/SRO/STO積層膜を作製した。成膜条件探索の結果、面内圧縮応力が加わった(001)配向のエピタキシャルBT薄膜を得た。一方、バッファ層の無いBT/SRO/STO薄膜では、BTが完全に格子緩和し、部分的に(110)配向して成長していることが明らかになった。この結果からBSTバッファ層が効果的に機能し、BT薄膜内のミスフィット転位の形成を抑制していると考えられる。さらに上部電極としてPtをスパッタしたPt/BT/BST/SRO/STOキャパシタを作製し、強誘電性に由来する分極反転を観測することが出来た。
本研究を通じて種々のバッファ層材料の探索を行い、Pt/BT/BST/SRO/STOおよびPt/BT/(Ba, Sr)RuO3/ Sr(Zr, Ti)O3/STO薄膜キャパシタの作製と電気特性評価を行った。バッファ層の組成を変化させることでBT薄膜に加わる応力を制御することが可能になり、Pt/BT/BST/SRO/STOでは分極反転可能な高品質なBT薄膜が得られた。また超格子構成材料の候補である反強誘電性NaNbO3について、セラミックスの作製と電気特性評価にも取り組んだ。NaサイトをCaで部分置換することにより、反強誘電相と強誘電相の可逆な電場誘起相転移を実現した。
研究期間内にYAGレーザーを用いたPLD装置の立ち上げが完了し、継続的に薄膜を作製する実験環境が整った。今後、本研究で開発したバッファ層材料と超格子の構成材料を組み合わせることで、高エネルギー貯蔵密度のエピタキシャル超格子薄膜が得られると期待される。
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