高性能NEMSに向けたドメイン構造による巨大圧電アクチュエータの実現

• 研究課題/領域番号: 12J03056
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 江原 祥隆 東京工業大学, 大学院総合理工学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2012 – 2013
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 2013年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2012年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 強誘電体薄膜 / 圧電体薄膜 / NEMS / 無ヒステリシス / 高速圧電応答 / 熱膨張係数 / 結晶構造制御 / 圧電高速応答

研究概要

NEMS (Nano Electro Mechanical Systems)応用に向け、ヒステリシスが無くそして大きな変位を有する圧電材料の開発を達成する目的のために、特殊な単結晶基板を使用することで代表的な圧電材料であるPb(Zr, Ti)03[PZT]膜の結晶構造の制御を行った。更に電界下における各結晶構造の変化を観察しそれらが圧電特性に及ぼす影響を明らかにした。
今年度は結晶構造を制御した薄膜の圧電特性の評価を行った。
特に各(100), (110), (111)に構造制御された正方晶PZTおよび菱面体晶PZTをpulse電界印加によって直接結晶構造の変化を観察することにより圧電特性を評価した。方法としては、in-situ圧電/分極同時測定を放射光による電界下X線回折測定(XRD, SPring-8)を用いて行った。電界下のXRD測定を行うことにより各結晶構造の変化(格子伸縮および分極のチルト角度の変化)を観察できた。また両者の結晶構造ともに高速パルス(200ns)による測定でも分極軸のチルトが格子伸長ともに半分の割合で圧電特性に寄与していることも確認した。両者ともに分極軸のチルト成分が大きな歪を誘起することを明らかにした。これらの歪成分が従来の測定方法である圧電応答顕微鏡(PFM)で測定したマクロな歪を良く一致した。
しかし、正方晶構造と菱面体晶構造を比較すると、正方晶構造がより速い速度の電界にも応答することがわかった。これは正方晶構造が菱面体晶構造よりも基板の拘束が大きいためことが確認できた。従って、正方晶構造を有したPZT膜では電界に対してヒステリシスがなく更に大きな変位を誘起することを本研究では見出した。

今後の研究の推進方策

(抄録なし)

研究成果

• [雑誌論文] Control of Volume Fraction of Non-180° Domains by Thermal Strain in Epitaxial Rhombohedral Pb(Zr, Ti)O_3 Thick Films (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Satoru Utsugi, Takahiro Oikawa, Tomoaki Yamada and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 巻: 1507
  • DOI: 10.1557/opl.2013.514
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase Boundary Shift by Thermal Strain in {100}-Oriented Epitaxial Pb(Zr_xTi_<1-x>)O_3 Film Grown on CaF_2 Substrates. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Takahiro Oikawa, Tomoaki Yamada, and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Jpn. J. App. Phys. 巻: 52 号: 9S1 ページ: 09KA02-09KA02
  • DOI: 10.7567/jjap.52.09ka02
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of (111) One-Axis-Oriented Bi(Mg1/2Ti1/2)O_3 Films on (100) Si Substrates (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Oikawa, Shintaro Yasui, Takayuki Watanabe, Koji Ishi, Yoshitaka Ehara, Hisato Yabuta, Takeshi Kobayashi, Tetsuro Fukui, Kaonl Miura, and Hiroshi Funakubo.
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 52 号: 4S ページ: 04CH09-04CH09
  • DOI: 10.7567/jjap.52.04ch09
  • 査読あり
• [雑誌論文] Squarness Control in Polarization - Electric Field Hysteresis Curves in Rhombohedral Pb(Zr, Ti)O_3 Film (2013)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Sumi, Takahiro Oikawa, Hitoshi Morioka, Shoji Okamoto, Shintaro Yokoyama, Takayuki Watanabe, Yoshitaka Ehara and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 52 号: 4S ページ: 04CD09-04CD09
  • DOI: 10.7567/jjap.52.04cd09
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nanoscale Origins of Nonlinear Behavior in Ferroic Thin Films (2013)
  • 著者名/発表者名: Rama K. V sudevan, M. Baris Okatan, Chen Duan, Yoshitaka Ehara, Hiroshi Funakubo, Amit Kumar, Stephen Jesse, Long-Qing Chen, Sergei V. Kalinin, Valanoor Nagarajan
  • 雑誌名: Adv Func. Mater. 巻: 2 号: 1 ページ: 81-90
  • DOI: 10.1002/adfm.201201025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Small-strain (100)/(001)-oriented epitaxial PbTi03 films with film thickness ranging from nano to micrometer order grown on (100)CaF2 substrates by metal organic chemical vapor deposition. (2013)
  • 著者名/発表者名: Mohamed-Tahar Chentir, Satoru Utsugi, Takashi Fujisawa, Yoshitaka Ehara, Mutsuo Ishikawa, Hitoshi Morioka, Tomoaki Yamada, Masaaki Matsushima, Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: J. Mater Res 巻: 28 号: 5 ページ: 696-701
  • DOI: 10.1557/jmr.2012.441
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature and Frequency Dependencies of Ferroelectric Properties in Rhombohedral Epitaxial Pb(Zr, Ti)O3 Films with Perfect (111) Orientations Grown on CaF2 Substrates. (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Tomoaki Yamada, Takashi Iijima, Nagarajan Valanoor, Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 巻: 1397 ページ: 15-20
  • DOI: 10.1557/opl.2012.726
  • 査読あり
• [雑誌論文] Domain tuning in mixed-phase BiFeO3 thin films using vicinal substrates (2012)
  • 著者名/発表者名: Lu You, Shintaro Yasui, Yoshitaka Ehara, Xi Zou, Hui Ding, Zuhuang Chen, Weigang Chen, Lang Chen, Hiroshi Funakubo, Junling Wang
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 100 号: 20
  • DOI: 10.1063/1.4717986
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stacking faults in an epitaxially grown PbTi03 thick film and their size distribution (2012)
  • 著者名/発表者名: Kenta Aoyagia, Yumiko Kodama, Takanori Kiguchi, Yoshitaka Ehara, Hiroshi Funakubo, Toyohiko J. Konnob
  • 雑誌名: Mater. Sci. Eng 巻: 177 号: 7 ページ: 528-531
  • DOI: 10.1016/j.mseb.2012.01.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Complex Domain Structure in Relaxed PbTi03 Thick Films Grown on (100)cSrRuO3//(100)SrTiO3 Substrates. (2012)
  • 著者名/発表者名: Shintaro Yasui, Yoshitaka Ehara, Satoru Utsugi, Mitsumasa Nakajima, Hiroshi Funakubo, Alexei Gruverman
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 112 号: 5
  • DOI: 10.1063/1.4746078
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic piezoresponse force microscopy: Spatially resolved probing of polarization dynamics in time and voltage domains (2012)
  • 著者名/発表者名: A. Kumar, Y. Ehara, A. Wada, H. Funakubo, F. Griggio S, Trolier-McKinstry, S. Jesse, S. V. Kalinin
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 112 号: 5
  • DOI: 10.1063/1.4746080
  • 査読あり
• [雑誌論文] Film Thickness Dependence of Ferroelectric Properties of (111)-Oriented Epitaxial Bi(Mg_<1/2>Ti_<1/2>)O_3 Films (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Oikawa, Shintaro Yasui, Takayuki Watanabe, Hisato Yabuta, Yoshitaka Ehara, Tetsuo Fukui, Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 51 号: 9S1 ページ: 09LA04-09LA04
  • DOI: 10.1143/jjap.51.09la04
  • 査読あり
• [雑誌論文] Film Thickness Dependence of Crystal Structure in {100}-Oriented Epitaxial Pb(Zr0.65Ti0.35)O3 Films Grown on Single-Crystal Substrates with Different Thermal Expansion Coefficients (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Koji Ishii, Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Jpn. J. App. Phys 巻: 51 号: 9S1 ページ: 09LA14-09LA14
  • DOI: 10.1143/jjap.51.09la14
  • 査読あり
• [学会発表] Domain structure in (100)-oriented epitaxial PbTiO_3 thin films grown on KTaO_3 and MgAl_2O_4 substrates (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Takaaki Nakashima, Tomoaki Yamada, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: The 74th Autumn Meeting 2013
  • 発表場所: Doshisha University, Kyoto
  • 年月日: 2013-08-19
• [学会発表] In-situ Observation of Domain Dynamics in Epitaxial Pb (Zr, Ti) O3 Films using Nano-second Order Measurement Setup of Synchrotron XRD (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Takahiro Oikawa, Takahisa Shiraishi, Hiroki Tanaka, Noriyuki Kaneko, Tomoaki Yamada, Yasuhiko Imai, Hiroo Tajiri, Osami Sakata and Hiroshi Funakubo.
  • 学会等名: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • 発表場所: Doshisha University, Kyoto
  • 年月日: 2013-08-17
• [学会発表] Composition shift of MPB in Epitaxial Pb (Zr, Ti) O_3 Film by Strain (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Takahiro Oikawa, Tomoaki Yamada, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: The 30th Meeting on Ferroelectric Materials and Their Applications (FMA30) 2013
  • 発表場所: CO-OP INN KYOTO
  • 年月日: 2013-05-22
• [学会発表] Domain structure of (100)/(010)-oriented epitaxial PbTiO3 thin films with in-plane polarization. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Ibmoaki Yamada, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: E-MRS 2013 Spring Meeting
  • 発表場所: Congress Center - Strasbours, France
  • 年月日: 2013-05-22
• [学会発表] 放射光X線を用いた(111)/(11-1)配向菱面体晶エピタキシャルPb(Zr, Ti)O3膜の電場印加による非分極軸ドメインスイッチングのその場観察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 江原祥隆, 安井信太郎, 及川貴弘, 白石貴久, 山田智明, 今井康彦, 田尻寛男, 坂田修身, 舟窪浩
  • 学会等名: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川、 神奈川工科大学(招待講演)
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 面内分極軸配向した(100)PbT103エピタキシャル薄膜のドメイン構造 (2013)
  • 著者名/発表者名: 江原祥隆, 山田智明, 舟窪浩
  • 学会等名: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川、 神奈川工科大学
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 繰り返し電界印加によるMEMS用Pb(Zr, Ti)O3膜の特性評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 和田亜由美, 江原祥隆, 安井伸太郎, 中島光雅, 及川貴弘, 小林健, 森岡仁, 舟窪浩
  • 学会等名: 第60回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川、 神奈川工科大学
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 圧電MEMS用Pb(Zr, Ti)03膜の信頼性評価 (2013)
  • 著者名/発表者名: 和田亜由美、 江原祥隆、 安井伸太郎、 中島光雅、 及川貴弘、 小林健、 西田謙、 西出正道、 松岡将史、 山本孝、 森岡仁、 舟窪浩
  • 学会等名: 第51回セラミックス基礎科学討論会
  • 発表場所: 宮城、 仙台国際センター
  • 年月日: 2013-01-09
• [学会発表] 正方晶およびMPB組成のPZT膜の圧電機構の比較検討 (2012)
  • 著者名/発表者名: 和田亜由美、 江原祥隆、 安井伸太郎、 中島光雅、 及川貴弘、 白石貴久、 西田謙、 西出正道、 山本孝、 小林健、 森岡仁、 坂田修身、 今井康彦、 山田智明、 Alexei Gruverman、 舟窪浩
  • 学会等名: 第32回エレクトロセラミックス研究討論会
  • 発表場所: 東京、 大岡山
  • 年月日: 2012-10-26
• [学会発表] 正方晶および菱面体晶エピタキシャルPb (Zr.Ti) O3膜の圧電特性と強誘電特性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 江原祥隆・安井伸太郎・及川貴弘・舟窪浩・山田智明
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第25回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 愛知、 松山大学
  • 年月日: 2012-09-19
• [学会発表] 放射光X線を用いた(111)/(11-1)配向菱面体晶エピタキシャルPb(Zr,Ti)O3膜の電場印加による非分極軸ドメインスイッチングのその場観察 (2012)
  • 著者名/発表者名: 江原祥隆, 安井伸太郎, 及川貴弘, 白石貴久, 山田智明, 今井康彦, 田尻寛男, 坂田修身, 舟窪浩
  • 学会等名: 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛、 松山大学
  • 年月日: 2012-09-14
• [学会発表] PLD法を用いたエピタキシャルPb(Zr,Ti)O3ナノロッドの成長過程の観察とその強誘電及び圧電特性 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山田智明, 中村健太郎, 田中秀典, 江原祥隆, 安井伸太郎, 及川貴弘, 坂田修身, 舟窪浩, 吉野正人, 長崎正雅
  • 学会等名: 第73回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 愛媛、 松山大学
  • 年月日: 2012-09-14
• [学会発表] Crystal Structure and Ferroelectric Properties of Epitaxial Rhombohedral Pb(Zr, Ti)O3 Films (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Takahiro Oikawa, Tomoaki Yamada, Takashi Iijima, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: The 6th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics(STAC-6)
  • 発表場所: 神奈川、 横浜
  • 年月日: 2012-06-26
• [学会発表] Pb(Zr,Ti)O_3膜の構造の膜厚依存 (2012)
  • 著者名/発表者名: 石井孝治、 高見晴夫、 Alexei Gruverman、 江原祥隆、 安井伸太郎、 舟窪浩
  • 学会等名: 第29回強誘電体応用会議(FMA29)
  • 発表場所: 京都、 コープイン京都
  • 年月日: 2012-05-25
• [学会発表] In-situ Observation of Domain Dynamics in Epitaxial Pb(Zr, Ti)O3 Films Using Nano-second Order Measurement Setup in Synchrotron XRD (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Takahiro Oikawa, Takahisa Shiraishi, Tomoaki Yamada, Yasuhiro Imai, Osami Sakata, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: 2012 MRS Fall Meeting & Exhibi
  • 発表場所: Boston、 USA
• [学会発表] Piezoresponse Enhancement of PZT Films by Nanometer-size Domain Formation (2012)
  • 著者名/発表者名: Ayumi Wada, Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Mitsumasa Nakajima, Takahiro Oikawa, Takahisa Shiraishi, Ken Nishida, Masamichi Nishide, Takashi Yamamoto, Takeshi Kobayashi, Hitoshi Morioka, Osami Sakata, Yasuhiko Imai, Tomoaki Yamada, Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: 2012 MRS Fall Meeting & Exhibi
  • 発表場所: Boston、 USA
• [学会発表] Direct Observation of Atomic Arrangement around 90° Domain Wall in Lead Titanate Thin Film (2012)
  • 著者名/発表者名: Takanori Kiguchi, Yoshitaka Ehara, Tomoaki Yamada, Hiroshi Funakubo, Toyohiko J. Konno
  • 学会等名: 2012 MRS Fall Meeting & Exhibi
  • 発表場所: Boston、 USA
• [備考]
  • URL: http://f-lab.iem.titech.ac.jp/f-lab.htm
• [備考]
  • URL: http://f-lab.iem.titech.ac.jp/f-lab.htm