2014 Fiscal Year Annual Research Report
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25249090
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 勝久 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80188292)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤田 晃司 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50314240)
村井 俊介 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20378805)
北條 元 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 助教 (90611369)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 酸化物 / 磁気的性質 / マルチフェロイクス / 磁気光学 / 薄膜 / 準安定相 / 圧電性 / 非線形光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はマルチフェロイック材料ならびに磁気光学材料として有用な準安定酸化物薄膜を創出することを目的としている。平成26年度は、初年度に得られた成果を着実に公表するとともに、その成果に基づいて、新たな物質探索、構造解析、物性測定を実施した。まず、準安定相に新規化合物を見いだす目的で、初年度に引き続き高温高圧合成を利用して酸化鉄系の新物質合成を試みた。初年度に合成に成功したScFeO3を受けて、マルチフェロイクスを意識しながらInFeO3の合成を試みた。ScFeO3と同様の方法でニオブ酸リチウム型のInFeO3を得ることに成功し、この化合物が室温以上にキュリー温度を有する弱強磁性体となることを明らかにした。これにより、ScFeO3、InFeO3ならびに類似のペロブスカイト型構造を持つ希土類オルソフェライトの磁気的相互作用を結晶構造の観点から系統的に説明することが可能となった。
また、準安定酸化物薄膜としてEuNbO3薄膜の合成に成功し、この化合物が強磁性金属であることを見いだした。これは初年度に合成に成功した多結晶体のEuNbO3では得られなかった知見である。
さらに、ミストCVD法を用いて多結晶ならびにエピタキシャル成長したBi3Fe5O12薄膜を合成し、この薄膜が短波長領域で大きなファラデー効果を示すことを明らかにした。Bi3Fe5O12は初年度に合成に成功したY3Fe5O12と比較して、より優れた磁気光学特性を示すことを見いだした。
初年度に見いだした新しい機構で生じる圧電体の関連では、種々のルドルスデン－ポッパー相を対象として元素選択を注意深く行いながら新規化合物の探索と合成を試みた。結果として、Phys. Rev. Lett.誌において公表したNa系のみならず、他のアルカリ金属からなる化合物の合成に成功し、その薄膜化も進んだ。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成26年度の研究成果も初年度と同様、いずれも最終的な研究目的を達成するための重要な知見をもたらすものである。たとえば、室温弱強磁性を示すニオブ酸リチウム型InFeO3は高圧下での構造相転移によってもたらされたものであり、ScFeO3と同様、応力の印加による構造変化は薄膜と基板の格子不整合を利用して導くこともできる。
ミストCVD法を用いた薄膜合成では、初年度のY3Fe5O12の合成と磁気光学効果の評価に引き続き、同じガーネット型構造を持つ準安定相のBi3Fe5O12の多結晶薄膜とエピタキシャル薄膜の合成に成功した。準安定相であるがゆえに合成条件の選択には慎重を期す必要があったが、それをうまく乗り越えることができた。エピタキシャル薄膜については光吸収とファラデー効果の波長依存性を鉄イオンの電子遷移を考えたモデルに基づき定量的に解析することができた。この成果はMaterials Research Society（アメリカ材料科学会）で発表したほか、Jpn. J. Appl. Phys.に掲載予定である。
ルドルスデン－ポッパー型酸化物に関しては、元素の種類の違いに基づく結晶構造の相違と圧電性の機構との関係を詳細に明らかにできており、ペロブスカイト型ならびに類似構造を持つ酸化物の構造と誘電性に関する基礎的に興味深い新たな知見が得られたと評価できる。この知見と上記の高圧合成で得られたScFeO3、InFeO3に関する結果を組合わせることにより、ペロブスカイト類似構造を持つ準安定相ならびに安定相の構造と物性（磁性と誘電性）を広く系統的に解釈できると考えられ、研究目的の達成のための有効な情報を得たと言える。
EuNbO3薄膜の合成は、準安定酸化物薄膜の合成に成功した一例であり、この化合物が強磁性金属となることも明らかにした。本研究課題の目的に適った成果と見なせる。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度と平成26年度に得られた研究成果を発展させながら、準安定酸化物薄膜の合成とマルチフェロイック特性、磁気光学特性の創出を目指す。
高温高圧合成による新規酸化物の探索については、これまでに合成に成功したニオブ酸リチウム型ScFeO3、InFeO3を他の系に展開し、平成26年度には扱えなかったGaFeO3や、Feを他の遷移元素で置換した系などの高温高圧相の合成を試みる。また、高温高圧合成が有効な別の系であるAサイト秩序型ペロブスカイト型酸化物を対象に、新しい化合物の探索を進める。研究代表者らはすでにMn2+、Ag+、Ag3+をAサイトに含むAサイト秩序型ペロブスカイト型酸化物の合成に成功し、その成果も公表しているが、構造の珍しさの観点のみならず、磁気特性や誘電特性の向上の視点から元素を選択して新化合物の発見に結びつける。
準安定相を薄膜と基板の格子不整合に基づく応力によって導く系としては、平成26年度に引き続き、準安定相が強磁性になることが予想されるEuZrO3とEuHfO3を対象に実験を進める。また、これらの安定相が反強磁性となる理由がBサイトの回転によるものであることから、Aサイトの元素置換によりBサイトの回転を抑制して強磁性を導くことを試みる。
磁気光学の関連では、準安定相の一種であるアモルファス相の薄膜に研究を展開する。研究代表者らは高濃度に鉄イオンを含むFeO-SiO2系アモルファス薄膜を作製し、これが可視域で大きなファラデー効果を示すことを見いだしているが、その原因が明らかでない。構造の観点からその起源を見いだすことを試みる。
Bサイト回転に基づいて圧電性が生じるルドルスデン－ポッパー型酸化物に関しては、平成26年度に引き続き薄膜化を試みる。特にエピタキシャル膜を合成し、2次非線形光学効果を利用して、圧電性を定量的に評価するとともに、磁性イオンの導入により、マルチフェロイクスへの展開を目指す。
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[Journal Article] Inversion symmetry breaking by oxygen octahedral rotations in Ruddlesden-Popper NaRTiO4 family2014
Author(s)
Hirofumi Akamatsu, Koji Fujita, Toshihiro Kuge, Arnab Sen Gupta, Atsushi Togo, Shiming Lei, Fei Xue, Greg Stone, James M Rondinelli, Long-Qing Chen, Isao Tanaka, Venkatraman Gopalan, and Katsuhisa Tanaka
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 112
Pages: 187602-1-5
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Room-temperature polar ferromagnet ScFeO3 transformed from a high-pressure orthorhombic perovskite phase2014
Author(s)
Takahiro Kawamoto, Koji Fujita, Ikuya Yamada, Tomohiko Matoba, Sung Joo Kim, Peng Gao, Xiaoqing Pan, Scott D. Findlay, Cédric Tassel, Hiroshi Kageyama, Andrew J. Studer, James Hester, Tetsuo Irifune, Hirofumi Akamatsu, and Katsuhisa Tanaka
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Journal Title
Journal of the American Chemical Society
Volume: 136
Pages: 15291-15299
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Novel LiNbO3-Type ScFeO3 with weak ferromagnetic behavior at room temperature2014
Author(s)
T. Kawamoto, K. Fujita, T. Matoba, K. Tanaka, I. Yamada, S. Kim, P. Gao, X. Pan, H, Etani and T. Irifune
Organizer
13th international ceramics congress
Place of Presentation
Palazzo dei Congressi, Italy
Year and Date
2014-06-12
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