高電場印加・温度可変環境下での強誘電体の静的・動的構造物性研究

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23360014
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 黒岩 芳弘 広島大学, 大学院・理学研究科, 教授 (40225280)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森吉 千佳子 広島大学, 大学院・理学研究科, 准教授 (00325143) ; 大沢 仁志 (財)高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員 (00443549)
• Keywords: 誘電体物性 / 物性実験 / X線 / 電場 / 結晶構造解析

Research Abstract

本研究の目的は,高電場印加により大きく格子変形させた強誘電体の格子歪み,イオン変位,電子密度分布をその場観察し可視化するための実験要素技術の開発を行うことである.そのために,電場を印加することができ,温度変化させながら電場印加のタイミングに対して時分割X線回折実験を行うことのできるX線回折・誘電物性同時計測装置を製作する.
本年度は,透過能の高い銀の特性X線(波長:0.56Å)をX線源とし,試料印加電場および試料温度を精密に制御できる機能を備えたX線回折・誘電物性同時計測装置を広島大学に導入し,高電場印加下での構造物性研究を大学で行うための研究基盤を構築した.この装置の主要部分は,本年度の予算で購入した試料水平型X線回折装置により構成されている.所有していた誘電物性測定装置,温度制御装置,DC電源などと組み合わせてX線回折・誘電物性同時計測装置を自作し,設計通りの性能であることを確認した.一方,SPring-8の放射光単結晶構造解析ビームラインにおいて,空間分解能10^<-14>m(100兆分の1メートル),時間分解能10^<-6>s(100万分の1秒)を同時に実現する時分割構造計測システムを構築し,チタン酸バリウム強誘電体に交番電場を印加したときに起こる分極反転と圧電振動の際の格子変形のダイナミクスを,原子変位のスケールでその場観測することに世界で初めて成功した.今後,本研究をきっかけに,ナノ秒・ピコ秒オーダーのダイナミクス研究に発展し,動作している電子デバイス中の原子の挙動をあたかも透視して観測することができるようになると期待される.この成果はJapanese Journal of Applied Physics(JJAP)の"SPOTLIGHTS"論文に選出され,10月と11月の"Most Downloaded Articles Top 20"となった.

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

X線回折・誘電物性同時計測装置を予定通りに広島大学に導入することができ,今後の研究基盤を構築することができた.一方,時分割構造計測システムを先行してSpring-8にて立ち上げることができ,強誘電体の基礎・応用研究の観点および放射光による構造計測技術の観点から高く評価された.

Strategy for Future Research Activity

今後は,大学に導入したX線回折・誘電物性同時計測装置を用いて,電場印加下での結晶構造解析実験を本格的に開始する.試料には,強誘電体を用い,基本物性や相転移と結晶構造とを一対一に対応させたデータを計測した後に,高電場印可下での構造物性を調べる.また,放射光と開発した時分割構造計測システムとを組み合わせて,より高い時間分解能での実験や粉末回折実験への応用を目指す.

Research Products

• [Journal Article] Synchrotron Radiation Study on Time-resolved Tetragonal Lattice Strain of BaTiO_3 under Electric Field (2011)
  • Author(s): C.Moriyoshi, S.Hiramoto, H.Ohkubo, Y.Kuroiwa, H.Osawa, K.Sugimoto, S.Kimura, M.Takata, Y.Kitanaka, Y.Noguchi and M.Miyayama
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. (Spotlights, Top 20 Most Downloaded Articles 2011 Oct. & Nov. Press Release) Volume: 50 Pages: 09NE05/1-4
  • DOI: 10.1143/JJAP.50.09NE05
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SPring-8 BL02B1における単結晶を用いた時間分解システムの開発 (2012)
  • Author(s): 杉本邦久, 安田伸広, 大沢仁志, 工藤統吾, 二澤宏司, 森吉千佳子, 黒岩芳弘, 藤原明比古
  • Organizer: 第25回日本放射光学会年会
  • Place of Presentation: 鳥栖
  • Year and Date: 2012-01-09
• [Presentation] Structural Study of BaTiO_3-based Ceramics under Device-operating Environment (2011)
  • Author(s): H.Yoshimura, Y.Kuroiwa, S.Wada
  • Organizer: 2011 Korean-Japanese Student Workshop
  • Place of Presentation: Busan, Korea
  • Year and Date: 20110929-20111001
• [Presentation] Crystal Structure of BaTiO_3-based Ceramics in MLCCs under Applied High Voltage (2011)
  • Author(s): Y.Kuroiwa, H.Ohkubo, C.Moriyoshi, N.Inoue, T.Okamoto
  • Organizer: XXII Congress and General Assembly of the Int'l Union of Crystallogr
  • Place of Presentation: Madrid, Spain
  • Year and Date: 20110822-20110830
• [Presentation] 電場を印加した強誘電体BaTiO_3の正方晶歪みの時分割測定 (2011)
  • Author(s): 森吉千佳子, 平本尚三, 黒岩芳弘, 大沢仁志, 杉本邦久, 木村滋, 高田昌樹, 北中佑樹, 野口祐二, 宮山勝
  • Organizer: Spring-8コンファレンス2011
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2011-11-01
• [Presentation] 放射光単結晶回折によるBaTiO_3の電場誘起格子歪みの時分割測定 (2011)
  • Author(s): 森吉千佳子, 平本尚三, 大久保寿紀, 黒岩芳弘, 大沢仁志, 杉本邦久, 北中佑樹, 野口祐二
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] ペロブスカイト型強誘電体の放射光精密構造物性研究についての新展開 (2011)
  • Author(s): 黒岩芳弘
  • Organizer: 日本セラミックス協会第24回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 札幌(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-07
• [Presentation] 放射光を用いた強誘電体の構造物性研究 (2011)
  • Author(s): 黒岩芳弘
  • Organizer: 第28回強誘電体応用会議
  • Place of Presentation: 京都(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-27
• [Presentation] 放射光単結晶回折によるBaTiO_3の電場印可正方晶歪の時分割測定 (2011)
  • Author(s): 森吉千佳子, 平本尚三, 大久保寿紀, 黒岩芳弘, 大沢仁志, 杉本邦久, 木村滋, 高田昌樹, 北中佑樹, 野口祐二, 宮山勝
  • Organizer: 第28回強誘電体応用会議
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2011-05-25