Development of ferroelectric superlattice thin films for next-generation energy storage devices

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K14479
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: Matsuo Hiroki 熊本大学, 国際先端科学技術研究機構, IROAST准教授 (10792517)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 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

Outline of Final Research Achievements

In this study, we established the technical foundation for the development of ferroelectric superlattice thin films with high energy storage density. We explored buffer layer materials for the growth of high-quality perovskite-type ferroelectric oxide thin films and optimized the film formation conditions using pulsed laser deposition with an Nd-YAG laser. Moreover, dielectric materials that constitute the layers of the superlattice were investigated. We successfully fabricated high-quality Pt/BaTiO3/SrRuO3/(Ba, Sr)TiO3/SrTiO3 thin film capacitors and observed a polarization-electric field hysteresis loop derived from ferroelectricity of BaTiO3.

Free Research Field

材料化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、組成のコントロールにより自在に格子定数が制御可能な(Ba, Sr)TiO3バッファ層を開発し、その上に高品質なBaTiO3強誘電体エピタキシャル薄膜を成長することに成功した。誘電体キャパシタは長寿命かつ高速充放電が可能な素子であり、多くの電子機器に使用されている。材料設計と誘電体層の薄膜化により、さらにエネルギー貯蔵密度を増大させることができれば、次世代のエネルギー貯蔵素子としての応用が見込まれており、本研究成果は高エネルギー貯蔵密度の誘電体キャパシタの開発の設計指針となると考えられる。