短パルス放射光を用いた電場誘起原子ダイナミクスの時分割計測

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26870491
• Research Institution: Nagoya City University
• Principal Investigator: 青柳 忍 名古屋市立大学, その他の研究科, 准教授 (40360838)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 時分割X線回折 / 圧電体 / リラクサー強誘電体 / 分極反転

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、高輝度短パルス放射光を利用した電場下の原子ダイナミクスの精密計測技術を開発し、それを用いて実用的な圧電・強誘電体材料および新規機能性材料の電場誘起原子ダイナミクスを解明する。
27年度は、主にリラクサー強誘電体の分極反転の構造ダイナミクス計測に取り組んだ。リラクサー強誘電体は、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3に代表される複合ペロブスカイト型化合物であり、その巨大な誘電率と巨大な圧電定数から、コンデンサー、振動子、アクチュエータなどの実用材料として広く産業応用されている。リラクサー強誘電体の優れた圧電性能は、常誘電の立方晶結晶中に発生した微小な分極ナノ領域に起源があるとされるが、微視的な誘電・圧電応答メカニズムについて完全な理解には至っていない。リラクサー強誘電体の交流電場下のドメイン配向や格子歪み、原子変位のダイナミクスを明らかにすることを目指して、短パルス放射光を用いた交流電場下の時分割X線回折実験を行なった。試料にはPb(Zn1/3Nb2/3)O3-4.5%PbTiO3 (PZN-4.5PT) 単結晶を用いた。厚さ0.05 mmの単結晶試料に3 kHzの交流電場を主軸 (c軸) に沿って印加すると共に、それと同期した短パルスX線を試料に照射し、X線回折パターンの時間変化を測定した。
測定の結果、交流電場下の格子歪みの時間変化を追跡することに成功した。印加電場の大きさにほぼ比例する格子定数の時間変化が観測されたが、印加電場が抗電場を超えると分極反転に伴い格子定数は逆方向に連続的に変化し、およそ20μ秒程度で分極反転が完了する格子ダイナミクスが観測された。測定したX線回折データから今後結晶構造解析を進めることで、分極反転過程の原子ダイナミクスを明らかにしていく。

Research Products

• [Journal Article] 短パルスX 線回折による水晶の振動機構の解明 (2016)
  • Author(s): 青柳忍, 大沢仁志, 杉本邦久, 森吉千佳子, 黒岩芳弘
  • Journal Title: SPring‑8/SACLA 利用者情報 Volume: 21 Pages: 78~83
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Crystal structure analysis of LiTaO3 under electric field (2015)
  • Author(s): Shinobu Aoyagi, Hitoshi Osawa, Kunihisa Sugimoto, Makoto Iwata, Shoichi Takeda, Chikako Moriyoshi, Yoshihiro Kuroiwa
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 54 Pages: 10NB03-1~5
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.10NB03
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Atomic motion of resonantly vibrating quartz crystal visualized by time-resolved X-ray diffraction (2015)
  • Author(s): Shinobu Aoyagi, Hitoshi Osawa, Kunihisa Sugimoto, Akihiko Fujiwara, Shoichi Takeda, Chikako Moriyoshi, Yoshihiro Kuroiwa
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 107 Pages: 201905-1~5
  • DOI: 10.1063/1.4935591
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 共振状態のランガサイト振動子の時分割結晶構造解析 (2016)
  • Author(s): 青柳忍, 大沢仁志, 杉本邦久, 竹田翔一, 森吉千佳子, 黒岩芳弘
  • Organizer: 第33回強誘電体応用会議
  • Place of Presentation: コープイン京都（京都市中京区）
  • Year and Date: 2016-05-27 – 2016-05-27
• [Presentation] Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3の交流電場下時分割X線回折 (2016)
  • Author(s): 青柳忍, 青柳鮎美, 大沢仁志, 杉本邦久, 竹田翔一, 森吉千佳子, 黒岩芳弘, 岩田真
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学 泉キャンパス（仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21 – 2016-03-21
• [Presentation] 誘電体の電場下原子ダイナミクス計測 (2015)
  • Author(s): 青柳忍
  • Organizer: 2015年冬季中部・関西誘電体セミナー
  • Place of Presentation: 中部大学（春日井市）
  • Year and Date: 2015-12-19 – 2015-12-19
• [Presentation] 原子・分子ナノダイナミクスの放射光構造計測 (2015)
  • Author(s): 青柳忍
  • Organizer: 日本化学会研究会「低次元系光機能材料研究会」第4回研究講演会 -次元制御とπ造形科学がもたらす物性科学の新展開-
  • Place of Presentation: 化学会館（東京都千代田区）
  • Year and Date: 2015-05-29 – 2015-05-29
  • Invited
• [Presentation] LiTaO3の電場下結晶構造解析 (2015)
  • Author(s): 青柳忍, 大沢仁志, 杉本邦久, 岩田真, 竹田翔一, 森吉千佳子, 黒岩芳弘
  • Organizer: 第32回強誘電体応用会議
  • Place of Presentation: コープイン京都（京都市中京区）
  • Year and Date: 2015-05-22 – 2015-05-22