2015 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
Project/Area Number |
26220907
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Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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) |
上杉 徳照 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (10405342)
曽根 正人 東京工業大学, 精密工学研究所, 准教授 (30323752)
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)
舟窪 浩 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (90219080)
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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 |
Outline of Annual Research Achievements |
H26に引き続き[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した. [1]立方晶-斜方晶および立方晶-単斜晶変態における形状記憶合金のホモ界面の幾何学を非線形連続体力学による数値解析でねじれの存在するホモ界面種を理論的に同定した. [2]Ti-Nb合金に加え,Ti-MoおよびTi-Cr合金も対象とし,相境界近傍での第一原理計算より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.格子軟化挙動についてはTi-Mo合金でMo濃度の低下に伴いソフトモードが現れることを確認した.また,フォノンのΓ点での固有ベクトルを解析し複数のソフトモードの変位パターンを可視化した.また,実験的には透過型電子顕微鏡による精密方位解析でホモ界面種ごとのねじれモードを解明し,さらにその場観察でホモ界面形成過程を解析し,ねじれが残存するホモ界面は成長するドメインの衝突により形成されること,ドメイン構造とホモ界面分布にはメソスケールの偏りが存在することを明らかにした.さらに,放射光X線を用いたフォノン分散曲線測定のための試料準備を行った.[3]圧電体では,試料作製後の冷却過程で印加されている応力が圧縮か引張かによってドメインの形成過程が変化し,結果的に室温で得られるホモ界面であるドメインの構造が大きく変化することを明らかにした.また印加応力方向により室温での残留歪みが異なり,電界印加時のドメイン構造の変化に大きく影響することを明らかにした.[4]試験温度を可変できるように独自の微小材料試験装置を改造でき,各温度における形状記憶合金の加重-変位曲線の測定に成功した.さらに,Ti-27Nb合金のバルク単結晶試料と微小単結晶試料の変形挙動の方位および温度依存性を明らかにした.
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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
ホモ界面構造については,低倍での電子顕微鏡解析により,ホモ界面の分布とドメイン組織は,ナノ~ミリオーダー渡るマルチスケールな階層性を持っていることが明らかになった.これらはホモ界面の幾何学だけからは想定することができない成果である.また,は第一原理計算ではさらにTi-MoおよびTi-Cr合金も研究対象物質として加え,相境界近傍での相安定性に及ぼす第三元素の影響の調査とフォノンによる格子軟化挙動の評価を順調に進めている.圧電対では,プロブ顕微鏡を用いることによって得られたミクロなドメイン構造解析とX線回折で得られるマクロなドメイン構造解析を結びつけることによって、電界を印可する前後(分極処理前後)の静的なドメイン構造解析を行うことができた.微小試験では,世界で初めて温度可変試験とその直接観察ができるような装置に改造でき,今後の大きな研究進展が望めるため,順調に進展していると判断した.
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Strategy for Future Research Activity |
立方晶-斜方晶変態をモデルケースとしてホモ界面の幾何学は網羅できたので,他項目の進展状況に応じて,これまでの成果を別の晶系に拡張する. チタン基形状記憶合金ではω相による摩擦が大きな影響を与えている可能性が指摘できたので,第一原理計算でもω相の相安定性に及ぼす第三元素の影響の調査を行う.格子軟化挙動については複数のソフトモードの変位パターンを可視化できているので,βからα”への相変態における原子変位との関連性を調査する. これまでの研究で,ドメイン組織とホモ界面の分布には,メソスケールの偏りが存在することが明らかになったので,ドメイン組織をナノ~ミリオーダーのマルチスケールで構造解析し,その大域的構造と対称性を明らかにする.特に,SEM内でのその場引張観察を行い,ホモ界面ごとの易動度の差を実験的に明らかにするとともに,ホモ界面でのねじれが易動度に及ぼす影響を明らかにする. 圧電体については,電界印加下のドメイン構造変化の解析を行う予定である.また,透過型電子顕微鏡による原子レベルでのドメイン構造解析を行うことで,詳細なドメイン界面(ホモ界面)の解析を行っていく予定である.これらは微小材料試験による単結晶の変形挙動では,TiNb合金に加え,AuCuAl合金,AuTiCo合金,磁性形状記憶合金NiFeCoGaなどにも拡張し,より多彩な合金で界面移動を明らかにする.
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[Journal Article] Negligible substrate clamping effect on piezoelectric response in (111)-epitaxial tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 films2015
Author(s)
Tomoaki Yamada, Jun Yasumoto, Daisuke Ito, Osami Sakata, Yasuhiko Imai, Takanori Kiguchi, Takahisa Shiraishi, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo, Masahito Yoshino, and Takanori Nagasaki
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Journal Title
J. Appl. Phys.
Volume: 118
Pages: 072012-1-6
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Domain structure of tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 nanorods and its size dependence2015
Author(s)
Tomoaki Yamada, Daisuke Ito, Osami Sakata, Junki Kuroishi, Takahiro Namazu, Yasuhiko Imai, Takahisa Shiraishi, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo, Masahito Yoshino, and Takanori Nagasaki
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Journal Title
Jpn. J. Appl. Phys.
Volume: 54
Pages: 10NA07-1-4
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Fabrication of Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Nanorods by Focused Ion Beam and Characterization of the Domain Structure2015
Author(s)
D. Ito, T. Yamada, M. Yoshino, T. Nagasaki, O. Sakata, J. Kuroishi, T. Namazu, T. Shiraishi, T. Shimizu, and H. Funakubo
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Journal Title
Proc. IEEE-ISAF/ISIF/PFM-2015
Volume: 1
Pages: 175-177
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] マイクロ曲げ試験による電析金薄膜の機械的特性評価2016
Author(s)
浅野 啓介, Tang Hao-Chun, 陳 君怡, TSO-FU MARK CHANG, 山根 大輔, 町田 克之, 益 一哉, 曽根 正人
Organizer
第63回応用物理学会春季学術講演会
Place of Presentation
東京工業大学大岡山キャンパス(東京)
Year and Date
2016-03-19 – 2016-03-22
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[Presentation] Size Dependence of Domain Structure in Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Nanorods2015
Author(s)
T. Yamada, D. Ito, O. Sakata, T. Kiguchi, T. Shiraishi, T. Shimizu, H. Funakubo, M. Yoshino, and T. Nagasaki
Organizer
17th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
Place of Presentation
Hotel Buena Vista, Matsumoto, Japan
Year and Date
2015-11-15 – 2015-11-18
Int'l Joint Research
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[Presentation] Orientation Control of Epitaxial Tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 Thin Films Grown on (100)KTaO3 Substrates by Tuning the Zr/(Zr+Ti) Ratio2015
Author(s)
Daichi Ichinose, Takaaki Nakashima, Yoshitaka Ehara, Takahiro Oikawa, Takao Shimizu, Osami Sakata, Tomoaki Yamada, and Hiroshi Funakubo
Organizer
17th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
Place of Presentation
Hotel Buena Vista, Matsumoto, Japan
Year and Date
2015-11-15 – 2015-11-18
Int'l Joint Research
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[Presentation] The Precipitation Strengthening Behavior of Cu-Ni-Si Alloy used as Micro-Components Evaluated by Micro-Tensile Tests2015
Author(s)
Sari Yanagida, Akiyoshi Araki, Tso-Fu Mark Chang, Chun-Yi Chen, Takashi Nagoshi, Equo Kobayashi, Hideki Hosoda, Tatsuo Sato, Masato Sone
Organizer
MNE2015, The 41th International Conference on Micro and Nano Engineering.
Place of Presentation
World Forum, ハーグ(オランダ)
Year and Date
2015-09-21 – 2015-09-24
Int'l Joint Research
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[Presentation] Structure Stability of High Aspect Ratio Ti/Au Two-Layered Cantilevers for Applications in MEMS Accelerometers2015
Author(s)
Minami Teranishi, Tso-Fu Mark Chang, Chun-Yi Chen, Toshifumi Konishi, Katsuyuki Machida, Hiroshi Toshiyoshi, Daisuke Yamane, Kazuya Masu, Masato Sone
Organizer
MNE2015, The 41th International Conference on Micro and Nano Engineering.
Place of Presentation
World Forum, ハーグ(オランダ)
Year and Date
2015-09-21 – 2015-09-24
Int'l Joint Research
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[Presentation] Shape Memory Behavior of Ti-Au-Cr Biomedical Alloy2015
Author(s)
Hideki Hosoda, Takuya Ishigaki, Yuri Shinohara,Tomonari Inamura, Kenji Goto, Shuichi Miyazaki
Organizer
Ti-2015: The 13th World Conference on Titanium
Place of Presentation
Manchester Grand Hyatt, San Diego, U.S.A
Year and Date
2015-08-15 – 2015-08-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] Texture of Ti-Mo-Al-Zr Biomedical Shape Memory Alloy2015
Author(s)
Tomonari Inamura, Tomoya Sasaki, Katsunori Hiramatsu, Masaki Tahara, Hideki Hosoda, Shuichi Miyazaki
Organizer
Ti-2015: The 13th World Conference on Titanium
Place of Presentation
Manchester Grand Hyatt, San Diego, U.S.A
Year and Date
2015-08-15 – 2015-08-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] Stability of Movable Structure Formed by Au Electroplating for MEMS Devices2015
Author(s)
Minami Teranishi, Tso-Fu Mark Chang, Toshifumi Konishi, Masaki Yano, Katsuyuki Machida, Daisuke Yamane, Hiroyuki Ito, Kazuya Masu, Tatsuo Sato, Masato Sone
Organizer
ICMAT2015 & IUMRS-ICA2015
Place of Presentation
Suntec Singapore Convention Centre, シンガポール
Year and Date
2015-06-28 – 2015-07-03
Int'l Joint Research
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[Presentation] Sari Yanagida, Akiyoshi Araki, Tso-Fu Mark Chang, Equo Kobayashi, Tatsuo Sato, Masato SoneMechanical Property of Cu-Ni-Si Alloy Evaluated by a Micro-Compression Test2015
Author(s)
Sari Yanagida, Akiyoshi Araki, Tso-Fu Mark Chang, Equo Kobayashi, Tatsuo Sato, Masato Sone
Organizer
ICMAT2015 & IUMRS-ICA2015
Place of Presentation
Suntec Singapore Convention Centre, シンガポール
Year and Date
2015-06-28 – 2015-07-03
Int'l Joint Research
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[Presentation] Domain Structure and Piezoelectric Response in Epitaxial PZT 1D-Nanorods and 2D-Thin Films2015
Author(s)
T. Yamada, D. Ito, O. Sakata, J. Yasumoto, T. Shiraishi, T. Shimizu, M. Yoshino, H. Funakubo, and T. Nagasaki
Organizer
EM-NANO 2015
Place of Presentation
Toki Messe, Niigata, JAPAN
Year and Date
2015-06-16 – 2015-06-19
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Large Piezoelectricity Driven by Electrically-Induced High-Density Ferroelastic Domains in Tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 Films2015
Author(s)
Hiroshi FUNAKUBO, Mitsymasa NAKAJIMA, Hiorshi NAKAKI, Tomoaki YAMADA, Ayumi WADA, Takahiro OIKAWA, Takaaki NAKASHIMA, Yohitaka EHARA, Naoya OSHIMA, Alexei GRUVERMAN
Organizer
ISAF-ISIF-PFM 2015
Place of Presentation
Matrix @ Biopolis, Singapore
Year and Date
2015-05-24 – 2015-05-27
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Piezoelectric Response in Epitaxial PZT 1D-Nanorods and 2D-Thin Films2015
Author(s)
Tomoaki YAMADA, Jun YASUMOTO, Daisuke ITO, Osami SAKATA, Takanori KIGUCHI, Hidenori TANAKA, Yoshitaka EHARA, Shintaro YASUI, Takahiro OIKAWA, Hiroshi FUNAKUBO, Masahito YOSHINO, Takanori NAGASAKI
Organizer
ISAF-ISIF-PFM 2015
Place of Presentation
Matrix @ Biopolis, Singapore
Year and Date
2015-05-24 – 2015-05-27
Int'l Joint Research
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[Presentation] Fabrication of Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Nanorods by Focused Ion Beam and Characterization of the Domain Structure2015
Author(s)
Daisuke ITO, Tomoaki YAMADA, Osami SAKATA, Junki KUROISHI, Takahiro NAMAZU, Takahisa SHIRAISHI, Takao SHIMIZU, Hiroshi FUNAKUBO, Masahito YOSHINO, Takanori NAGASAKI
Organizer
ISAF-ISIF-PFM 2015
Place of Presentation
Matrix @ Biopolis, Singapore
Year and Date
2015-05-24 – 2015-05-27
Int'l Joint Research
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