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2023 Fiscal Year Research-status Report

ナノ複合メタマテリアルが拓くトポロジカル強誘電性とそのメカニカル・ライティング

Research Project

Project/Area Number 23K17720
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

嶋田 隆広  京都大学, 工学研究科, 教授 (20534259)

Project Period (FY) 2023-06-30 – 2025-03-31
Keywordsメタマテリアル / 複合物理特性 / ナノ強誘電体 / Phase-Field法 / 第一原理計算
Outline of Annual Research Achievements

[1]本年度はまず、ナノ構造化・複合化されたメタマテリアル中の強誘電分極の数値解析技術と計算システムの構築を行った。代表者が開発したFourier Spectral法をベースとし、形状や異材の影響を陽に取り入れたPhase-Field解析技術とプログラムを整備し、この解析技術をナノ構造・複合メタマテリアルの解析用に拡張・改造した。さらに、頻繁に行われる高速フーリエ変換を効率的に並列処理する数値計算システムを構築し、大規模モデルに対する数値解析を実現できるように計算環境変数を最適化した。
[2]ナノ構造・複合メタマテリアルのトポロジカル強誘電分極秩序と付随機能の評価を行った。上記項目[1]で構築した数値解析技術・装置を用いて、ナノ構造・複合メタマテリアル中の強誘電分極秩序とその位相幾何学的特徴について数値解析的に評価を行った。代表的なSrTiO3/PbTiO3超格子について評価を行ったところ、分極スキルミオンが現れることを示し、これらの幾何学的特徴が実験観察とよく一致することを示した。さらに、スキルミオン形成が超格子膜の厚さや層数に依存することを明らかにした。また、温度やエピタキシャルひずみを変化させることによって、ヘリカル相、スキルミオンバブル相、スキルミオン格子相などに相転移することを示した。本結果は、スキルミオン自体ならびにそれらの集団配列を外部からの力場や温度場によって制御できることを示唆している。特に、スキルミオン格子相においては、結晶材料中と同じように、転位などの格子欠陥が形成され得ることも示した。一般に、格子欠陥は物質の巨視的応答特性を支配する重要な微視因子であることから、スキルミオン格子相における欠陥挙動を理解することで、その巨視的応答特性を制御できる可能性が示唆できた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

2023年度の研究予定は、[1]ナノ構造化・複合化されたメタマテリアル中の強誘電分極の数値解析技術と計算システムの構築、[2]ナノ構造・複合メタマテリアルのトポロジカル強誘電分極秩序と付随機能の評価、である。研究実績欄に記載のとおり、これらについてはいずれも予定通り実施し、成果を得ている。したがって、研究はおおむね順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

2024年度の研究計画は、[3]トポロジカル強誘電分極秩序の発現機構の解明、[4]電気機械応答特性の評価・解明、[5]機能設計指針・将来展望、であり、現状では特に問題なく、予定どおり実施できるものと考えている。

Causes of Carryover

構築した計算プログラムの効率化により、比較的少ない計算メモリで本年度対象とするモデルの解析を実施できることが判明した。一方、次年度はより大規模・長時間の解析を行う必要があるため、扱うデータ規模が膨大となることが予想される。この大規模データに対応するための機器購入に利用する予定である。

  • Research Products

    (28 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Peer Reviewed: 13 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] 浙江大学/中国科学院/西南大学(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      浙江大学/中国科学院/西南大学
  • [Int'l Joint Research] ハノイ工科大学(ベトナム)

    • Country Name
      VIET NAM
    • Counterpart Institution
      ハノイ工科大学
  • [Journal Article] Low-field energy storage enhancement in ferroelectric/paraelectric PbTiO3/SrTiO3 nanocomposites near antiferroelectric-ferroelectric transition region2024

    • Author(s)
      Lich Le Van、Vu Ba-Hieu、Hue Dang Thi Hong、Giang Do Thi Huong、Shimada Takahiro、Dinh Van-Hai、Phan Manh-Huong
    • Journal Title

      Journal of Science: Advanced Materials and Devices

      Volume: 9 Pages: 100687~100687

    • DOI

      10.1016/j.jsamd.2024.100687

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mechanical Rippling for Diverse Ferroelectric Topologies in Otherwise Nonferroelectric Nanofilms2024

    • Author(s)
      Xu Tao、Wu Chengsheng、Zheng Sizheng、Wang Yu、Wang Jie、Hirakata Hiroyuki、Kitamura Takayuki、Shimada Takahiro
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 132 Pages: 086801

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.132.086801

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Spontaneous Atomic-Scale Polar Skyrmions and Merons on a SrTiO3 (001) Surface: Defect Engineering for Emerging Topological Orders2024

    • Author(s)
      Minami Susumu、Ikeda Yoshitaka、Shimada Takahiro
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 24 Pages: 3686~3693

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c05112

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Emergent ultrasmall multiferroics in paraelectric perovskite oxide by hole polarons2024

    • Author(s)
      Xu Tao、Mori Masataka、Hirakata Hiroyuki、Kitamura Takayuki、Shimada Takahiro
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 26 Pages: 842~847

    • DOI

      10.1039/D3CP05364D

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mechanical effect on skyrmion-skyrmion interaction2024

    • Author(s)
      Wang Yu、Wang Jie、Kitamura Takayuki、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
    • Journal Title

      International Journal of Mechanical Sciences

      Volume: 261 Pages: 108699~108699

    • DOI

      10.1016/j.ijmecsci.2023.108699

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Discovery of Ultrasmall Polar Merons and Rich Topological Phase Transitions: Defects Make 2D Lead Chalcogenides Flexible Topological Materials2023

    • Author(s)
      Xu Tao、Qian Tao、Wang Jie、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 34 Pages: 2311141

    • DOI

      10.1002/adfm.202311141

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Efficient phase-field simulation for linear superelastic NiTi alloys under temperature gradients2023

    • Author(s)
      Xu Tao、Wang Chunyu、Zhu Yuquan、Wang Yu、Yan Yabin、Wang Jie、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
    • Journal Title

      International Journal of Mechanical Sciences

      Volume: 259 Pages: 108592~108592

    • DOI

      10.1016/j.ijmecsci.2023.108592

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Intrinsic Atomic-Scale Antiferroelectric VOF<sub>3</sub> Nanowire with Ultrahigh-Energy Storage Properties2023

    • Author(s)
      Xu Tao、Zhang Jingtong、Shimada Takahiro、Wang Jie、Yang Hongxin
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 23 Pages: 9080~9086

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c02929

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Superelastic-like nonlinear deformation hidden in ferroelectric ceramics2023

    • Author(s)
      Minami Susumu、Nakayama Tomohiro、Shimada Takahiro
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 134 Pages: 094102

    • DOI

      10.1063/5.0164669

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 鉄単結晶におけるひずみ誘起磁気相転移の電子的制御に関する第一原理解析2023

    • Author(s)
      MINAMI Susumu、ABE Yoshimasa、SHIMADA Takahiro
    • Journal Title

      Transactions of the JSME (in Japanese)

      Volume: 89 Pages: 23-00119

    • DOI

      10.1299/transjsme.23-00119

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrasmall Polar Skyrmions and Merons in SrTiO<sub>3</sub> Heterostructures by Polaron Engineering2023

    • Author(s)
      Xu Tao、Ichiki Yuuki、Masuda Kairi、Wang Yu、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 17 Pages: 10836~10843

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c02481

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dynamic precursor effect: Magnitude-fluctuated coherent spin waves emitted by skyrmions2023

    • Author(s)
      Wang Yu、Wang Jie、Kitamura Takayuki、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 250 Pages: 118867~118867

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2023.118867

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Formation and switching of chiral magnetic field textures in three-dimensional gyroid nanostructures2023

    • Author(s)
      Lich Le Van、Hue Dang Thi Hong、Giang Do Thi Huong、Duc Nguyen Huu、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Dinh Van-Hai
    • Journal Title

      Acta Materialia

      Volume: 249 Pages: 118802~118802

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2023.118802

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] SrTiO3 (001) 表面の原子空孔が創り出す分極Skyrmion,Meronに関する第一原理的研究2023

    • Author(s)
      池田善孝
    • Organizer
      第8回マルチスケール材料力学シンポジウム
  • [Presentation] SrTiO3/PbTiO3超格子内の分極スキルミオン格子の力学誘起相転移に関するPhase-field解析2023

    • Author(s)
      笠井恒汰
    • Organizer
      第8回マルチスケール材料力学シンポジウム
  • [Presentation] 強誘電体PbTiO3の特異な非線形変形挙動と強度特性に関する第一原理解析2023

    • Author(s)
      仲山智裕
    • Organizer
      第8回マルチスケール材料力学シンポジウム
  • [Presentation] Phase-field simulation of mechanical transition of polat skyrmion lattice2023

    • Author(s)
      Kohta Kasai
    • Organizer
      34th IUPAP Conference on Computationla Physics (CCP2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 有限電場下における強誘電体PbTiO3の力学的変形挙動に関する第一原理解析2023

    • Author(s)
      仲山智裕
    • Organizer
      日本セラミックス協会・第36回秋季シンポジウム
  • [Presentation] ナノ・原子スケールの強誘電体先端機能創発のひずみ・欠陥エンジニアリング - マルチフェロイクスから分極スキルミオンまで2023

    • Author(s)
      嶋田隆広
    • Organizer
      日本セラミックス協会・第36回秋季シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] 強誘電ナノ薄膜における分極スキルミオン格子とその欠陥構造に関する Phase-field 解析2023

    • Author(s)
      笠井恒汰
    • Organizer
      M&M2023 材料力学カンファレンス
  • [Presentation] MnSi ナノ薄膜上磁気 Skyrmion 格子における転位構造の Phase-Field 解析2023

    • Author(s)
      植松亮裕
    • Organizer
      M&M2023 材料力学カンファレンス
  • [Presentation] 常誘電体 SrTiO3表面の酸素空孔による 分極 Skyrmion,Meron の形成に関する第一原理解析2023

    • Author(s)
      池田善孝
    • Organizer
      日本機械学会 第36回計算力学講演会(CMD2023)
  • [Presentation] Phase-field simulation of polar skyrmion lattice and its defect in ferroelectric thin film2023

    • Author(s)
      Kohta Kasai
    • Organizer
      Joint-Symposium on Mechanics of Advanced Materials & Structures (JSMAMS 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] "Defect-strain engineering for ultrasmall polar skyrmions and merons in SrTiO3"2023

    • Author(s)
      Takahiro Shimada
    • Organizer
      Joint-Symposium on Mechanics of Advanced Materials & Structures (JSMAMS 2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 京都大学・材料物性学研究室

    • URL

      https://material.me.kyoto-u.ac.jp/

  • [Remarks] 京都大学・教育研究データベース

    • URL

      https://kdb.iimc.kyoto-u.ac.jp/profile_private/ja.6bf4232c357d1db5.html

URL: 

Published: 2024-12-25  

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