2014 Fiscal Year Annual Research Report
形状可変材料のドメインホモ界面ダイナミクスの学理究明と高機能化原理の確立
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26220907
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
細田 秀樹 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (10251620)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲邑 朋也 東京工業大学, 精密工学研究所, 准教授 (60361771)
田原 正樹 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教 (80610146)
曽根 正人 東京工業大学, 精密工学研究所, 准教授 (30323752)
舟窪 浩 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (90219080)
上杉 徳照 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (10405342)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 形状可変材料 / 形状記憶合金 / 圧電体 / ホモ界面 / ドメイン構造 / 相安定性 / 第一原理計算 / 微小材料試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
形状記憶合金や強誘電材料等の形状可変材料の物性可変機能は，ドメインの移動／成長による物性変化を利用するものである．本年度は，[1]ホモ界面の幾何学に対する理論的解析，[2]相安定性とホモ界面の関係の解明，[3]圧電体のホモ界面構造，[4]形状可変材料の力学等の特性評価，について研究を開始した．まず[1]については，立方晶-斜方晶変態および立方晶-単斜晶変態におけるホモ界面の幾何学を非線形連続体力学による数値解析によって解明し，ねじれの存在するホモ界面種を理論的に同定した．および，透過型電子顕微鏡による精密方位解析によってホモ界面種ごとのねじれモードを実験的に解明した．[2]としては，β型Ti-Nb合金を研究対象物質としてα”とβの相境界近傍での第一原理計算を行い，相安定性と変態ひずみに及ぼす55種類の第三元素の影響を定量的に評価した．さらに相境界近傍でのフォノンの第一原理計算を行い,Nb濃度の低下に伴い振動数が虚数のソフトモードが現れ格子軟化が起こることを確認した.これらの実験観察として，Ti-Nb合金において中性子非弾性散乱によるフォノンの分散関係の測定をJ-PARC（BL01）にて試みたが，本合金は中性子にとって透明であり，測定不可能であった．このため，今後は放射光を用いた測定を検討する方針である．[3]では，圧電体膜に関してドメインの方向を制御する方法を調査し，基板との界面でドメイン構造が大きく影響を受けることを明らかにした．また，圧電体のドメインの移動速度に関してＸＲＤを用いて結晶構造を直接観察することでナノ秒までの応答が可能であることを明らかにした．最後に，[4]ではマイクロメートルサイズの微小材料試験片，特に引張試験片の集束イオンビーム法による作製手法を確立し，形状可変材料単結晶材料の微小引張試験を実施することに成功した．
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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
本年度研究開始項目については全て予定通り研究を開始し，ほぼ目的の成果が得られている．特に，第一原理計算と実験的結果が良い対応を見せ，ドメイン界面構造や格子不安定性に関する有効な知見が得られている．これらについては当初予定通りあるいはそれ以上の進展があったと判断している．その一方，J-PARCに共同利用として申請・採択された，Ti-Nb単結晶合金への中性子回折における格子軟化の直接観察については，本合金が中性子に対して透明であり，測定したものの結果が得られないということが判明した．これらの測定については大型単結晶バルク材料が必要で有り，それが作製でき，かつ当研究グループで多くの実績があり，かつ他の研究項目との整合性からもTi-Nb系の格子軟化について研究する必要があるが，中性子回折で測定できないことが明らかになったため，今後は放射光の利用を検討することで対応したい．以上から，おおむね順調と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
全体としては特に大きな研究計画の変更はない．H27年度は，H26年度開始研究項目の継続で有り，[1」ホモ界面の幾何学，[2]相安定性とホモ界面，[3]ホモ界面・ドメイン構造，[4]力学・磁性・圧電材料の評価を計画している．研究としては，ホモ界面の幾何学の発展，他のTi系など有望で新規な形状可変材料の開発とその計算，圧電体ではドメイン界面を積極的に導入し、大きな圧電性を発現する方法の検討，磁性形状記憶では欠陥の制御による複合材での巨大磁歪効果，および，各種バルク単結晶と微小試験による単結晶の変形挙動の比較などを予定している．格子軟化の直接測定については，中性子回折による測定が不可能なことが判明したため，これについては研究計画を変更し，放射光X線の利用など，他の方法を検討している．第一原理計算においても，他のTi合金へも拡張し，相境界近傍での相安定性と変態ひずみに及ぼす第三元素の影響について定量的な評価を継続する．格子軟化挙動についてもフォノンの第一原理計算を行い、固有ベクトルの解析により
定量的な評価を行っていく予定である．
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| Remarks |
日刊工業新聞（朝刊） 平成26年 8 月20日（22面）掲載 http://www.nikkan.co.jp/news/nkx0720140820eaac.html
科学新聞（朝刊） 平成26年 8 月 1 日（ 2 面）掲載
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Research Products
(82 results)
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[Presentation] Domain motion under applied electric field in Pb(Zr, Ti)O3 films and their contribution to the piezoelectric properties2015
Author(s)
H. Funakubo, Y. Ehara, S. Yasui, T. Oikawa, T. Shiraishi, M. Nakajima, A. Wada, T. Yamada, T. Kobayashi, Y. Imai, and O. Sakata
Organizer
Electronic Materials and Applications 2015(EMA 2015)
Place of Presentation
DoubleTree by Hilton Orland at Sea World, FL, USA
Year and Date
2015-01-21 – 2015-01-23
Invited
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[Presentation] In-Situ Direct Observation of Ultrafast 90o Domain Wall Motion in (100)/(001)- Oriented Tetragonal Epitaxial Pb(Zr0.4ti0.6)O3 Thin Films2014
Author(s)
Hiroshi Funakubo, Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Takahiro Oikawa, Takahisa Shiraishi, Takao Shimizu, Hiroki Tanaka, Noriyuki Kanenko, Ronald Maran, Nagarajan Valanoor, Tomoaki Yamada, Yasuhiko Imai, and Osami Sakata
Organizer
2014 MRS Fall Meeting & Exhibition
Place of Presentation
Hynes Convention Center and Sheraton Boston Hotel, Boston, MA, USA
Year and Date
2014-11-30 – 2014-12-05
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[Presentation] Impact of Irreversible Non-180° Domain Switching on Ferroelectricity of (111)/(11-1)-Oriented Rhombohedral Pb(Zr,Ti)O3 Epitaxial Films Grown by Metalorganic Chemical Vapor Deposition2014
Author(s)
Takahiro Oikawa, Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Takahisa Shiraishi, Naoya Oshima, Tomoaki Yamada, Yasuhiko Imai, Osami Sakata, and Hiroshi Funakubo
Organizer
2014 MRS Fall Meeting & Exhibition
Place of Presentation
Hynes Convention Center and Sheraton Boston Hotel, Boston, MA, USA
Year and Date
2014-11-30 – 2014-12-05
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[Presentation] Enhancement of Piezoelectric Response Using 90° Domain Switching of Pb(Zr, Ti)O3 films2014
Author(s)
H. Funakubo, M. Nakajima, T. Oikawa, S. Yasui, N. Oshima, A. Wada, T. Yamada, and T. Kobayashi
Organizer
4th International Workshop on Piezoelectric MEMS(PiezoMEMS2014)
Place of Presentation
Integrated Research Center of Kobe University, Kobe, Japan
Year and Date
2014-10-28 – 2014-10-29
Invited
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[Presentation] High temperature shape memory alloys based on intermetallic compounds consisting of Ti and precious metals2014
Author(s)
Yoko Yamabe-Mitarai, Raju Arockiakumar, Abdol Wadood, Wataru Tasaki, Masayuki Shimojo, Kondi Santharam Suresh, Tomonori Kitashima, Toru Hara, Madoka Takahashi, Satoshi Takahashi, Hideki Hosoda
Organizer
International Conference on Martensitic Transformation (ICOMAT) 2014
Place of Presentation
スペイン・ビルバオ
Year and Date
2014-07-06 – 2014-07-11
Invited
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