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Elucidation of Phase Stability and Novel Fluorite Type Ferroelectric Phase Thin Films by Controlling Stress Induced Phase Transition

Research Project

Project/Area Number 16K14378
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Inorganic materials/Physical properties
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

Takanori Kiguchi  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (70311660)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 白石 貴久  東北大学, 金属材料研究所, 助教 (50758399)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2018-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2016: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords蛍石型強誘電体 / ハフニア / ジルコニア / 直方晶相 / 極性構造 / 相安定性 / 応力誘起変態 / ドメイン構造 / 直方晶 / ドメイン / 単斜晶 / 固溶体 / 弾性的拘束 / 弾性場 / 準安定相 / 強誘電性 / 固相エピタキシー
Outline of Final Research Achievements

Recently, HfO2-based novel phase without spatial symmetry, which is interesting ferroelectric material as Pb-free and non-perovskite-type structure. Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) thin films are one of the representative materials with the orthorhombic phase Pca21 in the wide compositional range. We have attempted and realized the epitaxial growth of HZO thin films with the orthorhombic phase Pca21 using solid-state epitaxy with ion-beam sputtering followed by rapid thermal annealing. We have also described the nanoscale morphology and the domain structure of orthorhombic (Pca21) and coexisting monoclinic (P21/c) phases in HZO thin films using the aberration-corrected scanning transmission electron microscopy. These results indicate that two effects, the solute and the elastic constraint effects, are necessary for the stabilization of the orthorhombic phase.

Report

(3 results)
  • 2017 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2016 Research-status Report
  • Research Products

    (40 results)

All 2018 2017 2016 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (34 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Effect of the film thickness on the crystal structure and ferroelectric properties of (Hf 0.5 Zr 0.5 )O 2 thin films deposited on various substrates2017

    • Author(s)
      Shiraishi Takahisa、Katayama Kiliha、Yokouchi Tatsuhiko、Shimizu Takao、Oikawa Takahiro、Sakata Osami、Uchida Hiroshi、Imai Yasuhiko、Kiguchi Takanori、Konno Toyohiko J.、Funakubo Hiroshi
    • Journal Title

      Materials Science in Semiconductor Processing

      Volume: 70 Pages: 239-245

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2016.12.008

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solid state epitaxy of (Hf,Zr)O<sub>2</sub> thin films with orthorhombic phase2016

    • Author(s)
      Kiguchi, Takanori Nakamura, Shogo Akama, Akihiro Shiraishi, Takahisa Konno, Toyohiko J.
    • Journal Title

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      Volume: 124 Issue: 6 Pages: 689-693

    • DOI

      10.2109/jcersj2.16073

    • NAID

      130005155642

    • ISSN
      1348-6535, 1882-0743
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Impact of mechanical stress on ferroelectricity in (Hf0.5Zr0.5)O2 thin films2016

    • Author(s)
      T. Shiraishi, K. Katayama, T. Yokouchi, T. Shimizu, T. Oikawa, O. Sakata, H. Uchida, Y. Imai, T. Kiguchi, T.J. Konno, and H. Funakubo
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 108 Issue: 26

    • DOI

      10.1063/1.4954942

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The demonstration of significant ferroelectricity in epitaxial Y-doped HfO2 film2016

    • Author(s)
      T. Shimizu, K. Katayama, T. Kiguchi, A. Akama, T.J Konno, O. Sakata, and H. Funakubo
    • Journal Title

      Sci. Rep.

      Volume: 6 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/srep32931

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  • [Journal Article] Texture Observation for &alpha;-Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Doped HfO<sub>2</sub> Ultrathin Films2016

    • Author(s)
      白石 貴久, 木口 賢紀, 今野 豊彦
    • Journal Title

      Materia Japan

      Volume: 55 Issue: 12 Pages: 599-599

    • DOI

      10.2320/materia.55.599

    • NAID

      130005170149

    • ISSN
      1340-2625, 1884-5843
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    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] ZrO2 薄膜の結晶構造に対するドーパント効果2018

    • Author(s)
      Sujin Choi、白石 貴久、木口 賢紀、今野 豊彦、清水 荘雄、 舟窪 浩
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      三村 和仙、清水 荘雄、木口 賢紀、赤間 章裕、今野 豊彦、勝矢 良雄、坂田 修身、 舟窪 浩
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      日本セラミックス協会2018年年会
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      白石 貴久、Sujin Choi、清水 荘雄、木口 賢紀、舟窪 浩、今野 豊彦
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      Takao Shimizu, Takanori Mimura, Takanori Kiguchi, Takahisa Shiraishi, Akihiro Akama, Toyohiko J Konno, Osami Sakata, Hiroshi Funakubo
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      白石貴久, Choi Sujin, 清水荘雄, 舟窪浩, 木口賢紀, 今野豊彦
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      第64 回応用物理学会春季学術講演会
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      パシフィコ横浜 (神奈川県横浜市)
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      三村和仙, 片山きりは, 清水荘雄, 木口賢紀, 赤間章裕, 今野豊彦, 坂田修身, 舟窪浩
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      第64 回応用物理学会春季学術講演会
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      パシフィコ横浜 (神奈川県横浜市)
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      2017-03-14
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      Choi Sujin,白石貴久,木口賢紀,今野豊彦
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      白石貴久,Sujin Choi,木口賢紀、今野豊彦
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  • [Presentation] ZrO2超薄膜の結晶構造に対するα-Fe2O3ドーパントの効果2017

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      Sujin Choi,白石貴久,木口賢紀、今野豊彦
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      第133回東北大学金属材料研究所講演会
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      清水 荘雄、三村 和仙、木口 賢紀、赤間 章裕、今野 豊彦、坂田 修身、舟窪 浩
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      日本セラミックス協会 第30回秋季シンポジウム
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      白石 貴久、Choi Sujin、清水 荘雄、舟窪 浩、木口 賢紀、今野 豊彦
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      第78回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] HfO2-ZrO2エピタキシャル薄膜における斜方晶相の安定性2017

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      木口 賢紀、白石 貴久、Choi Sujin、舟窪 浩、今野 豊彦
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      第78回応用物理学会秋季学術講演会
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      Choi Sujin、白石 貴久、木口 賢紀、清水 荘雄、舟窪 浩、今野 豊彦
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      第78回応用物理学会秋季学術講演会
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      三村 和仙、清水 荘雄、木口 賢紀、赤間 章裕、今野 豊彦、勝矢 良雄、坂田 修身、舟窪 浩
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
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      Hiroshi Funakubo, Takao Shimizu, Kiliha Katayama, Takanori Mimura, Takanori Kiguchi, Takahisa Shiraishi, Akihiro Akama, Toyohiko J. Konno, and Osami Sakata
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      8th International Conference on Electroceramics(ICE2017)
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  • [Presentation] ZrO2 超薄膜の結晶構造に対するドーパント効果2017

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      日本顕微鏡学会第73回学術講演会
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  • [Presentation] 強誘電体HfO2 基超薄膜のドメイン構造評価2017

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      白石 貴久,チェ スジン,木口 賢紀,今野 豊彦
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      日本顕微鏡学会第73回学術講演会
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  • [Presentation] Stability of ferroelectric phase in epitaxial HfO2-based films2017

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      Takanori Mimura, Kiriha Katayama, Takao Shimizu, Takanori Kiguchi, Akihiro Akama, Toyohiko J. Konno, Osami Sakata, Hiroshi Funakubo
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      IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics (ISAF) International Workshop on Acoustic Transduction Materials and Devices (IWATMD) Piezoresponse Force Microscopy Workshop (PFM)
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  • [Presentation] エピタキシャルFe添加HfO2超薄膜の作製とその結晶構造評価2016

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      白石貴久, Sujin Choi, 木口賢紀, 今野豊彦
    • Organizer
      東北大学金属材料研究所第132回所内講演会
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      東北大学 片平キャンパス(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-24
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      Choi Sujin, 白石貴久, 木口賢紀, 今野豊彦
    • Organizer
      東北大学金属材料研究所第132回所内講演会
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      東北大学 片平キャンパス(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-24
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      木口賢紀
    • Organizer
      平成28年度プロセス研究会 第2回講演会(静岡大学 電子工学研究所 共同研究プロジェクト)
    • Place of Presentation
      静岡大学 浜松キャンパス (静岡県浜松市)
    • Year and Date
      2016-10-22
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      木口賢紀
    • Organizer
      東北大学金属材料研究所附属量子エネルギー材料科学国際研究センター 平成28年度 大洗研究会
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      東北大学 片平キャンパス(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-09-29
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      清水荘雄、三村和仙、片山きりは、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦、坂田修身、舟窪浩
    • Organizer
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
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      朱鷺メッセ (新潟県新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13
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      三村和仙, 清水荘雄, 内田寛, 木口賢紀, 赤間章裕, 今野豊彦, 坂田修身, 舟窪浩
    • Organizer
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
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      朱鷺メッセ (新潟県新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13
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  • [Presentation] 固相エピタキシャル成長法によるFe 添加HfO2超薄膜の作製と結晶構造評価2016

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      白石貴久, Sujin, 清水荘雄, 清水荘雄, 舟窪浩, 木口賢紀, 今野豊彦
    • Organizer
      日本セラミックス協会第29回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス(広島県東広島市)
    • Year and Date
      2016-09-07
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  • [Presentation] Fe 添加されたZrO2超薄膜の結晶構造調査2016

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      Sujin Choi, 白石貴久, 清水荘雄, 舟窪浩, 木口賢紀, 今野豊彦
    • Organizer
      日本セラミックス協会第29回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス(広島県東広島市)
    • Year and Date
      2016-09-07
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  • [Presentation] エピタキシャルおよび配向性Y ドープHfO2薄膜の強誘電性2016

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      清水荘雄, 片山きりは, 三村和仙, 木口賢紀, 白石貴久, 赤間章裕, 今野豊彦, 坂田修身, 舟窪浩
    • Organizer
      日本セラミックス協会第29回秋季シンポジウム
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス(広島県東広島市)
    • Year and Date
      2016-09-07
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  • [Presentation] エピタキシャル蛍石型酸化物超薄膜の作製と結晶構造評価2016

    • Author(s)
      白石貴久, Sujin Choi, 木口賢紀, 今野豊彦
    • Organizer
      誘電体・磁性体 若手 夏の学校
    • Place of Presentation
      ルーセントタカミヤ(山形県山形市)
    • Year and Date
      2016-08-26
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  • [Presentation] Preparation of fluorite-structured ferroelectric thin films and their characterization2016

    • Author(s)
      Takao Shimizu, Kiliha Katayama, Takanori Kiguchi, Akihiro Akama, Toyohiko J. Konno, Osami Sakata, and Hiroshi Funakubo
    • Organizer
      13th Russia/CIS/Baltic/ Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF) and International Workshop on Relaxor Ferroelectrics 2016 (IWRF).
    • Place of Presentation
      Shimane Prefectural Convention Center "Kunibiki Messe" (島根県島根市)
    • Year and Date
      2016-06-19
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  • [Presentation] Growth of orientation-controlled ferroelectric HfO2 thin films by solid phase crystalization and their characterization2016

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      Takanori MIMURA, Kiriha KATAYAMA, Takao SHIMIZU, Hiroshi UCHIDA, Takanori KIGUCHI , Akihiro AKAMA , Toyohiko J. KONNO , Osami SAKATA , and Hiroshi FUNAKUBO
    • Organizer
      13th Russia/CIS/Baltic/ Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF) and International Workshop on Relaxor Ferroelectrics 2016 (IWRF).
    • Place of Presentation
      Shimane Prefectural Convention Center "Kunibiki Messe" (島根県島根市)
    • Year and Date
      2016-06-19
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  • [Presentation] 強誘電性斜方晶ハフニア薄膜における微細構造のSTEM観察2016

    • Author(s)
      木口賢紀, 白石貴久, 清水荘雄, 舟窪浩, 今野豊彦
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第72回学術講演会 JSM 2016
    • Place of Presentation
      仙台国際センター (宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-06-14
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  • [Presentation] Crystal Structure Analysis for Fe-Doped ZrO2 Ultra Thin Films2016

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      Sujin Choi, 白石貴久, 木口賢紀, 今野豊彦
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第72回学術講演会 JSM 2016
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      仙台国際センター (宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-06-14
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      白石貴久, Sujin Choi, 木口賢紀, 今野豊彦
    • Organizer
      日本顕微鏡学会 第72回学術講演会 JSM 2016
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      仙台国際センター (宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-06-14
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  • [Presentation] Fabrication and Structure Analysis of Orthorhombic Hafnium Oxide Thin films2016

    • Author(s)
      T. Kiguchi, T. Shiraishi, A. Akama, T. Shimizu, H. Funakubo, T.J. Konno
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      Summit of Materials Science 2016 (SMS2016)
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      東北大学 片平キャンパス(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-05-18
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  • [Remarks] 常誘電体結晶の超薄膜化による準安定相制御と強誘電相の発現

    • URL

      http://konno-lab.imr.tohoku.ac.jp/research%20theme.html

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Published: 2016-04-21   Modified: 2019-03-29  

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