2014 Fiscal Year Research-status Report
時分割高分解能中性子回折で探る圧電材料の動的構造変化
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26790071
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
川崎 卓郎 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門J-PARCセンター, 研究員 (20626361)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 中性子回折 / その場観察 / 時分割測定 / 圧電材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度である平成26年度は、本研究課題に不可欠な中性子と外部電場の同時イベント記録システムの構築と性能評価、データ処理ソフトウェアの開発・整備を中心に実施した。
中性子回折実験に先立ち、既存の機器と新たに購入した機器が組み合わされた状態でシステムとして想定通りに動作することを確認した。次いで、J-PARC物質・生命科学実験施設のBL19に設置された工学材料回折装置「匠」において、圧電素子へ電場を印可した状態での中性子回折実験を実施した。いくつかの定常電場下での中性子回折パターンにおいて圧電材料の結晶格子のひずみに起因する回折ピークシフトと、ドメインの回転に起因するピーク強度の変化を観測し、同装置が圧電材料の電場に対する応答を調べるために十分な性能を有していることを確認した。
これらの機器と装置を用いて、市販の圧電アクチュエータに周期的電場（サイン波）を印可した状態での中性子回折実験を実施した。実験中、中性子回折強度と同時に印可電場のタイミングと波形をイベントデータとして記録した。測定後のデータ処理において印可電場の条件に基づき分割された中性子回折パターンを解析した結果、電場の進行に伴う格子ひずみとドメイン配向の変化の観測に成功した。圧電効果による格子ひずみの大きさは結晶方位によって異なっており、この試料においては(111)面の間隔が最も大きく変化していた。また、ミクロな変形である格子ひずみとドメイン配向の変化から見積もられた変形量は、ひずみゲージを用いて同時に測定したマクロな変形量とも矛盾せず、正しく評価できていることが確認できた。以上のように、研究の実施に必要なハード・ソフト面での整備がおおむね完了し、その適用例として実用の圧電アクチュエータの評価を実施した。
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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
本研究の目的は、J-PARCの中性子回折装置を用いて時間とともに変化する動的な外場下に置かれた物質や材料のミクロな応答を時間分割して調べることのできる手法を確立し、その適用対象として実用的なサイズの圧電材料が電場によって動作する際の挙動を明らかにすることである。
初年度である平成２６年度は研究の遂行に必要な機器や解析ソフトウェアの整備と、装置への設置など技術的な面で測定が比較的容易な市販の圧電素子を試料とした測定を実施し、そのデータを解析することで構築したシステムの性能を検証することを計画していた。現段階で必要な実験機器の整備は完了し、これらを用いた測定も実施済みである。電場の条件によって時間分割された回折パターンを解析した結果から、構築したシステムとデータ処理ソフトウェアによって、圧電材料の電場の変化に伴う結晶格子のひずみやドメイン回転の様子を評価可能なことが示され、手法としてある程度確立されたことが確認された。より高い精度、複雑な条件への適用を目指した更新は継続して行うが、今後はこの手法を用いて様々な材料の動的な電場下での評価を行う。
このように、研究目的の達成に向けて着実に進行していることから、おおむね順調に進展していると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度以降は、前年度に確立した評価手法を用いて、様々な条件下での実用の圧電素子や材料の評価を実施する。
現状のシステムでは最大で1kHz程度の周波数で動作する圧電アクチュエータの評価が可能なことが見込まれるため、100Hz ～ 1kHz程度の周波数を対象に電場と格子ひずみ、ドメイン配向の関係の観察を実施する。圧電材料は電場に対する応答特性によってハード材、ソフト材に大別されるが、同手法を用いてこれらの材料の比較も実施する予定である。
上記は多結晶であるセラミックス材料を対象としているが、多結晶に一軸方向の電場を印加した場合、材料中には電場に対して様々な方位の結晶粒が存在することになる。一方、単結晶を用いると結晶のある特定方位への電場印可が可能であるため、特定方位の電場に対する面間隔の変化の結晶面依存性を調べることができる。さらに、多結晶を用いた測定よりも詳細に結晶構造の応答を調べることができるため、単結晶を用いた測定を実施する予定である。
また、圧電アクチュエータは数K程度の低温下においても使用可能なアクチュエータの一つであるが、温度の低下とともに印加電場に対する変形量が減少することが知られている。低温における電場に対する結晶格子やドメインの応答を調べることは、低温条件での材料の性能や信頼性の向上のために有用な情報が得られることが期待できるため、同手法を用いた低温下での測定を計画している。
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| Causes of Carryover |
実験に使用するファンクションジェネレータを購入予定であったが、機器調整用として別途購入された機器に必要な機能が搭載されており、これが使用可能なため購入を見送った。次年度以降使用予定の試料を前倒しで購入したが、次年度使用額が発生した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
より多種類の材料、多様な条件での測定を行うために、試料である圧電セラミックスや単結晶の購入のために使用する予定である。これらは中性子回折実験に先立つ予備実験にも使用できるため、より確実に実験を成功させることができると期待できる。
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