擬立方晶フラクチャード強誘電体の巨大圧電応答機構解明のための構造計測手法の構築
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20H02641
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30010:Crystal engineering-related
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
黒岩 芳弘 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (40225280)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大沢 仁志 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光推進室, 研究員 (00443549)
藤井 一郎 山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (20597645)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2020: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
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| Keywords | 誘電体物性 / 物性実験 / Ｘ線 / 超精密計測 / 構造・機能材料 / X線 |
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| Outline of Research at the Start |
立方晶系に帰属する点群の中に極性点群はない．したがって，立方晶の物質に強誘電性は期待できない．しかし，我々のグループで，一見して立方晶に見える非鉛系セラミックス材料が強誘電性を示し，PZTに匹敵する圧電特性をもつことを見出した．本研究では，このような材料の単結晶を育成し，放射光時分割構造解析により分極発現機構とその反転の動的仕組みを理解する．フラクチャード強誘電体という新研究分野を立ち上げ，この種の非鉛圧電材料について議論する場をリードすることが最終目標である．
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| Outline of Annual Research Achievements |
フラクチャード強誘電体と呼称することにした，BaTiO3- BiFeO3をベースとする非鉛系セラミックス材料が，一見して立方晶に見えるにもかかわらず，PZTに匹敵する圧電特性をもつ仕組みを，放射光X線回折実験による静電場印加下での結晶構造解析と，交流電場印加下での時分割結晶構造解析により解明することが本研究の目的である．
本研究では，研究代表者の黒岩（広島大学）と研究分担者の大沢（JASRI/SPring-8）および藤井（山梨大学）が，互いの得意分野で協力し，研究を推進した．
研究開始の初年度である令和2年度では，研究の目的を達成するために，まず，①単結晶育成，②電場印加下構造計測試料への加工，③外形変位計測手法の構築から開始し，後期から④静電場印加下Ｘ線構造解析手法の構築，⑤交流電場印加下時分割Ⅹ線構造解析手法の構築のための準備を始めた．①，②，③について，藤井が繰り返し固相反応により，0.2mm程度のBaTiO3-Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-BiFeO3（BT-BMT-BF）単結晶の育成に成功した．黒岩が電場印加できるように加工し，レーザー変位計を用いた圧電変位測定装置一式を導入することで，微小結晶に対してS-E変位ヒステリシスを測定できる計測手法の構築を行った．④に関して，②で加工した単結晶試料を黒岩がSPring-8に持ち込み静電場印加下でのX線回折実験を行ったところ，格子ひずみの電場依存性を計測することに成功した．一方，⑤では，大沢が約100 Hzから70k Hzまでの広い周波数帯で，交流電場印加下時分割構造解析を行うためのタンデム型X線チョッパーの設計を開始した．BT-BMT-BFセラミックスにおいてBiイオンがオフセンターしていることが強誘電性・圧電性に大きく係ることを見出し，その成果を国際誌で公表すると同時にプレスリリースした．
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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
非常に小さなサイズではあるが単結晶の育成に成功し，SPring-8において静電場印加下で格子ひずみを測定することもできた．セラミックスで得られていたのと同程度の格子ひずみであったので，単結晶試料はうまく育成できていると考えられる．しかし，レーザー変位計を用いた圧電変位測定については，コロナ禍で装置の納品が年度末になってしまって調整不足であったことや，本質的に結晶サイズが小さかったことから，未だ統計精度の高いデータが得られていない．本質的な圧電性能を示すデータは得られているので，より精度の高いデータを測定するためにはより大きな単結晶試料の育成が不可欠であると考えた．一方，X線回折による格子ひずみの測定については，電場印加下でX線回折実験が精度よく行えたので，最適なサイズの単結晶が得られていると考えた．
研究成果の公表に関して，BT-BMT-BFセラミックスに対する静電場印加下での結晶構造解析の結果から，電場下での結晶構造を予測し，その予測に基づきBT-BMT-BFがすぐれた強誘電性・圧電性を示す仕組みをBiイオンがオフセンター配置することに関連付けて議論した．成果は，令和2年に創刊されたネイチャー・リサーチ・ジャーナル「Communications Materials」で公表された．ほとんどの国際会議がコロナ禍で中止または延期となったため，国際誌への論文投稿により関連する研究成果を公表した．国内学会等では，BT-BF系および同様な孤立電子対をもつBi系やPb系の強誘電体材料について強誘電性との関連について報告できた．
レーザー変位計を用いた圧電変位測定でまだ論文投稿できるほどの精度のデータは測定できていないものの，全体としては，おおむね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度では，交流電場下時分割Ⅹ線構造解析手法の構築をめざして，X線チョッパーを自作する．主として，大沢がデザイン・導入を担当する．このX線チョッパーを用いて，黒岩と大沢が中心となり交流電場下での時分割X線構造解析に挑戦する．新たに導入するX線チョッパーを従来のX線チョッパーとタンデムに配置することで，約100 Hzから70k Hzまでの広い交流周波数帯で，交流電場印加下時分割構造解析を行うための計測システムが構築できると期待している．
藤井は，さらなる大きな単結晶試料育成に努力する．変位計による結晶外形の変形とX線回折による単位格子の変形を比較することで，この種の圧電材料は本質的な格子ひずみによりマクロに結晶が歪むことを示したい．
電場印加下での構造計測に関する最新の情報を国際会議や国内学会などで収集しながら，可能な限り早期の成果の公表を目指す．一方，令和2年度にセラミックに対する研究成果を国際誌に論文投稿し，プレス発表も行った．この成果に対して，国内学会や国際会議からの招待講演依頼および学会誌から解説記事執筆の依頼を受けた．令和3年度に招待講演と記事執筆も行い，成果を広く周知することに努める．しかし，学会発表については，特に国際会議での発表については，新型コロナウイルス感染症の蔓延状況に大いに依存すると考えている．
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Report
(1 results)
Research Products
(18 results)
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[Presentation] 0.8BiFeO3-0.2BaTiO3の原子分解能電子顕微鏡解析2020
Author(s)
宮内隆輝, 佐藤幸生, 寺西亮, 金子賢治, Kim Sangwook, 藤井一郎, 上野慎太郎, 中平夕貴, 森吉千佳子, 黒岩芳弘, 和田智志
Organizer
日本MRS主催「MRMフォーラム」
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