強誘電体ナノスケール構造の反電場を利用した新奇圧電メカニズムの創成

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26709047
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 山田 智明 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80509349)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 誘電体 / ナノ構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、圧電性（電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換機能）を示す強誘電体について、これまで薄膜や微粒子等のナノスケール構造で分極を減少させると考えられてきた反電場を積極的に利用して、新奇な圧電メカニズムを創成するものである。
項目「ナノテンプレートを利用したPZTナノロッドの成長とサイズ制御」については、平成27年度は光硬化型樹脂とPZTのCSD原料の混合溶液を用いて作製した島状アレイの焼成条件の最適化を行った。その結果、高い結晶性を実現するためには島状アレイのアスペクト比を犠牲にする必要があることがわかった。そのため、ガス透過性PDMSモールドを用いてCSD原料のみをインプリントする手法に変更した結果、高い結晶性とアスペクト比を両立する島状アレイの作製に成功した。
項目「ナノロッドの特性評価」については、集束イオンビームでトップダウン加工したナノロッドの評価を行った。その結果、{100}配向ナノロッドにおいては、サイズの減少とともに分極軸がロッド長手方向に直交するaドメインの割合が減少し、幅1ミクロンメートル以下のロッドでは、分極軸が完全に長手方向に平行なcドメインとなることが明らかになった。更に、完全cドメインのナノロッドの側面を白金で被覆すると、一部の領域がaドメインで安定化されることも分かった。これらの結果は、ナノスケール強誘電体のドメイン構造が電気的境界条件によって大きく左右されることを強く示唆している。
また、最終年度に予定していた項目「反電場を利用した巨大圧電メカニズムの検証」に関して、ロッド長手方向から分極軸が傾斜した{111}配向ナノロッドの電界誘起格子歪みを測定した結果、バルクを超える圧電応答が起きる可能性が見出された。そこで、平成28年度は計画を前倒しして、これらの結果の理論的な考察を行う予定である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

項目「ナノテンプレートを利用したPZTナノロッドの成長とサイズ制御」については、島状アレイ構造の作製方法に一部変更が生じ、レーザー堆積法でその上にPZTナノロッドを成長させる条件の最適化ができていないことから、やや遅れが生じている。そのため、平成28年度の前半はこれに集中して取り組む予定である。一方、項目「ナノロッドの特性評価」は順調に進んでおり、ナノスケール強誘電体のドメイン構造が電気的境界条件によって大きく左右されることを強く示唆する興味深い実験結果を得ている。また、最終年度に予定していた項目「反電場を利用した巨大圧電メカニズムの検証」に関しては予定よりも早く進んでおり、全体としては概ね順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

上記のように、高い結晶性とアスペクト比を両立する島状アレイの作製に成功したため、平成28年度の前半は、レーザー堆積法でその上にPZTナノロッドを成長させる事に集中して取り組む。その他の項目については、計画通り推進する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学ローザンヌ校EPFL(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: スイス連邦工科大学ローザンヌ校EPFL
• [Journal Article] Fabrication of Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Nanorods by Focused Ion Beam and Characterization of the Domain Structure (2015)
  • Author(s): D. Ito, T. Yamada, M. Yoshino, T. Nagasaki, O. Sakata, J. Kuroishi, T. Namazu, T. Shiraishi, T. Shimizu, and H. Funakubo
  • Journal Title: Proc. IEEE ISAF-ISIF-PFM 2015 Volume: 2015 Pages: 175, 177
  • DOI: 10.1109/ISAF.2015.7172698
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Orientation Control of Epitaxial Tetragonal Pb(ZrxTi1-x)O3 Thin Films Grown on (100)KTaO3 Substrates by Tuning the Zr/(Zr+Ti) Ratio (2015)
  • Author(s): D. Ichinose, T. Nakashima, Y. Ehara, T. Oikawa, T. Shimizu, O. Sakata, T. Yamada, and H. Funakubo
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 107 Pages: 022902-1, -5
  • DOI: 10.1063/1.4926963
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Negligible Substrate Clamping Effect on Piezoelectric Response in (111)-epitaxial Tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 Films (2015)
  • Author(s): T. Yamada, J. Yasumoto, D. Ito, O. Sakata, Y. Imai, T. Kiguchi, T. Shiraishi, T. Shimizu, H. Funakubo, M. Yoshino, and T. Nagasaki
  • Journal Title: J. Appl. Phys. Volume: 118 Pages: 072012-1, -6
  • DOI: 10.1063/1.4927810
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Domain Structure of Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Nanorods and its Size Dependence (2015)
  • Author(s): T. Yamada, D. Ito, O. Sakata, J. Kuroishi, T. Namazu, Y. Imai, T. Shiraishi, T. Shimizu, H. Funakubo, M. Yoshino, and T. Nagasaki
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 54 Pages: 10NA07-1, -4
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.10NA07
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ab initio Study on Face Azimuth Dependency of Surface Energy and Structure in Ferroelectric PbTiO3 (2015)
  • Author(s): Y. Takagi, T. Yamada, M. Yoshino, and T. Nagasaki
  • Journal Title: Ferroelectrics Volume: 490 Pages: 167, 173
  • DOI: 10.1080/00150193.2015.1072693
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 正方晶/菱面体晶Pb(ZrxTi1-x)O3人工超格子薄膜における圧電応答の層厚依存性 (2016)
  • Author(s): 山田 智明, 海老原 洋平, 坂田 修身, 森岡 仁, 木口 賢紀, 清水 荘雄, 舟窪 浩, 吉野 正人, 長崎 正雅
  • 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
  • Year and Date: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [Presentation] 正方晶/菱面体晶Pb(Zr,Ti)O3人工超格子薄膜の構造及び圧電特性の層厚依存性 (2016)
  • Author(s): 海老原 洋平, 山田 智明, 坂田 修身, 森岡 仁, 木口 賢紀, 今井 康彦, 清水 荘雄, 舟窪 浩, 吉野 正人, 長崎 正雅
  • Organizer: 第54回セラミックス基礎科学討論会
  • Place of Presentation: 佐賀市, アバンセ, グランデはがくれ
  • Year and Date: 2016-01-07 – 2016-01-08
• [Presentation] Domain Structure and Piezoelectric Response of Self-assembled Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Nanorods (2015)
  • Author(s): T. Yamada, D. Ito, O. Sakata, T. Kiguchi, T. Shiraishi, T. Shimizu, M. Yoshino, H. Funakubo, and T. Nagasaki
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies (Pacifichem-2015)
  • Place of Presentation: Honolulu, USA
  • Year and Date: 2015-12-15 – 2015-12-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 正方晶/菱面体晶Pb(Zr,Ti)O3人工超格子薄膜の作製と圧電特性の評価 (2015)
  • Author(s): 海老原 洋平, 山田 智明, 坂田 修身, 森岡 仁, 木口 賢紀, 今井 康彦, 清水 荘雄, 舟窪 浩, 吉野 正人, 長崎 正雅
  • Organizer: 平成27年度日本セラミックス協会東海支部学術研究発表会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2015-12-12 – 2015-12-12
• [Presentation] Size Dependence of Domain Structure in Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Nanorods (2015)
  • Author(s): T. Yamada, D. Ito, O. Sakata, T. Kiguchi, T. Shiraishi, T. Shimizu, H. Funakubo, M. Yoshino, and T. Nagasaki
  • Organizer: The 17th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics
  • Place of Presentation: Matsumoto, Japan
  • Year and Date: 2015-11-15 – 2015-11-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Domain Structure and Piezoelectric Response in One-dimensional PZT Nanostructure (2015)
  • Author(s): T. Yamada, D. Ito, O. Sakata, H. Funakubo, M. Yoshino, and T. Nagasaki
  • Organizer: 14th International Union of Materials Research Societies-International Conference on Advanced Materials (IUMRS-ICAM 2015)
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2015-10-25 – 2015-10-29
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 正方晶Pb(Zr,Ti)O3ナノロッドのドメイン構造に及ぼす脱分極電界の影響 (2015)
  • Author(s): 山田智明, 伊藤大介, 坂田修身, 黒石隼輝, 生津資大, 清水荘雄, 舟窪浩, 吉野正人, 長崎正雅
  • Organizer: 日本セラミックス協会第28回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-18
• [Presentation] {100}, {111}配向Pb(Zr,Ti)O3ナノロッドのドメイン構造とそのサイズ依存性 (2015)
  • Author(s): 山田 智明, 伊藤 大介, 坂田 修身, 黒石 隼輝, 生津 資大, 清水 荘雄, 舟窪 浩, 吉野 正人, 長崎 正雅
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋市, 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13 – 2015-09-16
• [Presentation] マイクロX線を用いた強誘電体ナノロッドのドメイン構造解析 (2015)
  • Author(s): 山田 智明
  • Organizer: 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業 微細構造解析プラットフォーム 2015年度 第1回ワークショップ
  • Place of Presentation: 京都市, 京都リサーチパーク
  • Year and Date: 2015-08-31 – 2015-08-31
• [Presentation] 強誘電体ナノスケール構造における電気-機械エネルギー変換特性の評価と性能向上に向けた取り組み (2015)
  • Author(s): 山田 智明
  • Organizer: 名古屋大学グリーンモビリティ連携研究センター第22回次世代自動車公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2015-08-06 – 2015-08-06
• [Presentation] Domain Structure and Piezoelectric Response in Epitaxial PZT 1D-Nanorods and 2D-Thin Films (2015)
  • Author(s): T. Yamada, D. Ito, O. Sakata, J. Yasumoto, T. Shiraishi, T. Shimizu, M. Yoshino, H. Funakubo, and T. Nagasaki
  • Organizer: The 5th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO 2015)
  • Place of Presentation: Niigata, Japan
  • Year and Date: 2015-06-16 – 2015-06-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Piezoelectric Response in Epitaxial PZT 1D-Nanorods and 2D-Thin Films (2015)
  • Author(s): T. Yamada, J. Yasumoto, D. Ito, O. Sakata, T. Kiguchi, H. Tanaka, Y. Ehara, S. Yasui, T. Oikawa, H. Funakubo, M. Yoshino, and T. Nagasaki
  • Organizer: 2015 Joint IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectric, International Symposium on Integrated Functionalities, and Piezoresponse Force Microscopy Workshop (IEEE ISAF-ISIF-PFM 2015)
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Nanorods by Focused Ion Beam and Characterization of the Domain Structure (2015)
  • Author(s): D. Ito, T. Yamada, O. Sakata, J. Kuroishi, T. Namazu, T. Shiraishi, T. Shimizu, H. Funakubo, M. Yoshino, and T. Nagasaki
  • Organizer: 2015 Joint IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectric, International Symposium on Integrated Functionalities, and Piezoresponse Force Microscopy Workshop (IEEE ISAF-ISIF-PFM 2015)
  • Place of Presentation: Singapore
  • Year and Date: 2015-05-24 – 2015-05-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 正方晶Pb(Zr,Ti)O3ナノロッドのドメイン構造とそのサイズ依存 (2015)
  • Author(s): 山田 智明, 伊藤 大介, 坂田 修身, 黒石 隼輝, 生津 資大, 白石 貴久, 清水 荘雄, 舟窪 浩, 吉野 正人, 長崎 正雅
  • Organizer: 強誘電体応用会議FMA-32
  • Place of Presentation: 京都市, ホテルコープイン京都
  • Year and Date: 2015-05-20 – 2015-05-23
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: http://enemat.nucl.nagoya-u.ac.jp