層状ペロブスカイトエンジニアリング：酸素八面体回転制御による強誘電体の設計

• 研究課題/領域番号: 16H04496
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 無機材料・物性
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 藤田 晃司 京都大学, 工学研究科, 教授 (50314240)
• 研究分担者: 村井 俊介 京都大学, 工学研究科, 助教 (20378805)
• 研究協力者: 北條 元
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2018年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2017年度: 11,440千円 (直接経費: 8,800千円、間接経費: 2,640千円); 2016年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
• キーワード: 強誘電体 / 誘電体物性 / 誘電体

研究成果の概要

本研究では、層状ペロブスカイト酸化物の酸素八面体回転を制御して、間接型強誘電体の開拓を目指した。Sr3Zr2O7と(Sr,Ca)3Sn2O7において、二種類の非極性の構造歪み（酸素八面体回転）の組み合わせが結晶構造の反転対称性を破り、ハイブリッド間接型強誘電性の発現をもたらすことを明らかにした。また、これらの系では酸素八面体回転により多くの準安定相が存在し、強誘電相と競合していることがわかった。さらに、既知のn = 2ルドルスデン・ポッパー型強誘電体に関する結果も含めると、室温以下から1100 Kまでの広い温度範囲でキュリー温度とペロブスカイト許容因子の間に相関があることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

膨大なペロブスカイト化合物の中で強誘電体は5%に満たず、応用分野も限定的であった。ハイブリッド間接型強誘電体の物質設計では、元素選択の自由度が直接型の場合と比べて遥かに大きいため、物質探索により高機能な新規強誘電体が登場する可能性は大いにある。また、現在は鉛を含むペロブスカイト強誘電体Pb(Zr,Ti)O3が圧電素子として広範に利用されているが、環境保全の観点からこれを代替する無鉛圧電材料の開発が強く求められている。ハイブリッド間接型強誘電体の開発はそのような産業界の要望にも応えることができる。

研究成果

• [国際共同研究] Universite de Rennes/Institut Laue-Langevin(フランス)
• [国際共同研究] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [国際共同研究] Pennsylvania State University/Northwestern University(米国)
• [国際共同研究] Universite de Rennes(フランス)
• [国際共同研究] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [国際共同研究] Pennsylvania State University/Northwestern University(米国)
• [国際共同研究] Universite de Rennes(France)
• [国際共同研究] Pennsylvania State University(米国)
• [国際共同研究] Rutherford Appleton Laboratory(英国)
• [国際共同研究] ANSTO(Australia)
• [雑誌論文] Hybrid Improper Ferroelectricity in (Sr,Ca)3Sn2O7 and Beyond: Universal Relationship between Ferroelectric Transition Temperature and Tolerance Factor in n = 2 Ruddlesden?Popper Phases (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Suguru、Akamatsu Hirofumi、Tsuji Ryosuke、Hernandez Olivier、Padmanabhan Haricharan、Sen Gupta Arnab、Gibbs S. Alexandra、Mibu Ko、Murai Shunsuke、Rondinelli M. James、Gopalan Venkatraman、Tanaka Katsuhisa、Fujita Koji
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 140 号: 46 ページ: 15690-15700
  • DOI: 10.1021/jacs.8b07998
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced photoluminescence and directional white-light generation by plasmonic array (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamakura Ryosuke、Murai Shunsuke、Yokobayashi Yusuke、Takashima Keijiro、Kuramoto Masaru、Fujita Koji、Tanaka Katsuhisa
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 124 号: 21 ページ: 213105-213105
  • DOI: 10.1063/1.5050993
  • NAID: 120006542088
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visible and near-infrared photoluminescence enhanced by Ag nanoparticles in Sm3+-doped aluminoborate glass (2018)
  • 著者名/発表者名: Gao Yuan、Murai Shunsuke、Fujita Koji、Tanaka Katsuhisa
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: 86 ページ: 611-616
  • DOI: 10.1016/j.optmat.2018.10.018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Demonstration of temperature-plateau superheated liquid by photothermal conversion of plasmonic titanium nitride nanostructures (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishii Satoshi、Kamakura Ryosuke、Sakamoto Hiroyuki、Dao Thang D.、Shinde Satish L.、Nagao Tadaaki、Fujita Koji、Namura Kyoko、Suzuki Motofumi、Murai Shunsuke、Tanaka Katsuhisa
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 10 号: 39 ページ: 18451-18456
  • DOI: 10.1039/c8nr05931d
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced Photoluminescence from Organic Dyes Coupled to Periodic Array of Zirconium Nitride Nanoparticles (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamakura Ryosuke、Murai Shunsuke、Fujita Koji、Tanaka Katsuhisa
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 5 号: 8 ページ: 3057-3063
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00320
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectric Sr3Zr2O7: Competition between Hybrid Improper Ferroelectric and Antiferroelectric Mechanisms (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Suguru、Fujita Koji、Akamatsu Hirofumi、Hernandez Olivier、Sen Gupta Arnab、Brown Forrest G.、Padmanabhan Haricharan、Gibbs Alexandra S.、Kuge Toshihiro、Tsuji Ryosuke、Murai Shunsuke、Rondinelli James M.、Gopalan Venkatraman、Tanaka Katsuhisa
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 28 号: 30 ページ: 1801856-1801856
  • DOI: 10.1002/adfm.201801856
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Collective plasmonic modes excited in Al nanocylinder arrays in the UV spectral region (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawachiya Yuki、Murai Shunsuke、Saito Motoharu、Sakamoto Hiroyuki、Fujita Koji、Tanaka Katsuhisa
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 26 号: 5 ページ: 5970-5970
  • DOI: 10.1364/oe.26.005970
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 層状ペロブスカイト圧電体NaRTiO4（Rは希土類）－酸素配位八面体回転による結晶構造の反転対称性の破れ－ (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田晃司
  • 雑誌名: 固体物理 巻: 53 ページ: 41-48
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasmonic-Photonic Hybrid Modes Excited on a Titanium Nitride Nanoparticle Array in the Visible Region (2017)
  • 著者名/発表者名: Kamakura Ryosuke、Murai Shunsuke、Ishii Satoshi、Nagao Tadaaki、Fujita Koji、Tanaka Katsuhisa
  • 雑誌名: ACS Photonics 巻: 4 号: 4 ページ: 815-822
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00763
  • 査読あり
• [雑誌論文] Perovskite-Type InCoO3 with Low-Spin Co3+: Effect of InーO Covalency on Structural Stabilization in Comparison with Rare-Earth Series (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujita Koji、Kawamoto Takahiro、Yamada Ikuya、Hernandez Olivier、Akamatsu Hirofumi、Kumagai Yu、Oba Fumiyasu、Manuel Pascal、Fujikawa Ryo、Yoshida Suguru、Fukuda Masayuki、Tanaka Katsuhisa
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 56 号: 18 ページ: 11113-11122
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.7b01426
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Competing Structural Instabilities in the Ruddlesden－Popper Derivatives HRTiO4 (R = Rare Earths): Oxygen Octahedral Rotations Inducing Noncentrosymmetricity and Layer Sliding Retaining Centrosymmetricity (2017)
  • 著者名/発表者名: A. S. Gupta, H. Akamatsu, F. G. Brown, M. T. Nguyen, M. E. Strayer, S. Lapidus, S. Yoshida, K. Fujita, K. Tanaka, I. Tanaka, T. E. Mallouk, and V. Gopalan
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 29 号: 2 ページ: 656-665
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b04103
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Giant Faraday rotation through Fe0n states in superparamagnetic FeO-SiO2 vitreous films (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuko Nakatsuka, Kilian Pollok, Torsten Wieduwilt, Falko Langenhorst, Markus A. Schmidt, Koji Fujita, Shunsuke Murai, Katsuhisa Tanaka, and Lothar Wondraczek
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: － 号: 4
  • DOI: 10.1002/advs.201600299
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] LiNbO3-type InFeO3: Room-temperature polar magnet without second-order Jahn Teller active ions (2016)
  • 著者名/発表者名: Koji Fujita, Takahiro Kawamoto, Ikuya Yamada, Olivier Hernandez, Naoaki Hayashi, Hirofumi Akamatsu, William Lafargue-Dit-Hauret, Xavier Rocquefelte, Masafumi Fukuzumi, Pascal Manuel, Andrew J. Studer, Christopher Knee, and Katsuhisa Tanaka
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 28 号: 18 ページ: 6644-6655
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b02783
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ZnTaO2N: Stabilized High-Temperature LiNbO3-type Structure (2016)
  • 著者名/発表者名: Kuno, Y.; Tassel, C.; Fujita, K.; Batuk, D.; Abakumov, A. M.; Shitara, K.; Kuwabara, A.; Moriwake, H.; Watabe, D.; Ritter, C.; Brown, C. M.; Yamamoto, T.; Takeiri, F.; Abe, R.; Kobayashi, Y.; Tanaka, K.; Kageyama, H.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 号: 49 ページ: 15950-15955
  • DOI: 10.1021/jacs.6b08635
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural phase transitions in EuNbO3 perovskite (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshiro Kususe, Suguru Yoshida, Koji Fujita, Hirofumi Akamatsu, Masafumi Fukuzumi, Shunsuke Murai, and Katsuhisa Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 239 ページ: 192-199
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2016.04.032
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 層状ぺロブスカイト酸化物における酸素八面体回転による反転対称性の破れ (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤田晃司
  • 学会等名: 強的秩序とその操作に関わる第8回研究会
• [学会発表] 極性構造を持つカ チオン欠陥ペロブスカイト型酸化物の構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三宅 仁介、吉田 傑、村井 俊介、Hernandez Olivier、Ritter Clemens、田中 勝久、藤田 晃司
  • 学会等名: 第 57 回セラミックス基礎科学討論会
• [学会発表] 新規機能性酸化物の創製と機能発現機構の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田晃司
  • 学会等名: 日本セラミックス協会関西支部 平成２９年度協会賞受賞記念講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 層状ペロブスカイト強誘電体におけるキュリー温度と許容因子の関係 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田 傑、赤松 寛文、辻 涼 介、Hernandez Olivier、Padmanabhan Haricharan、Sen Gupta Arnab、Gibbs S. Alexandra、壬生 功、村井 俊介、Gopalan Venkatraman、田中 勝久、藤田 晃司
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第 31 回秋季シンポジウム
• [学会発表] ペロブスカイト型酸化物 CuNbO3の高圧合成とその特異な熱分解挙動 (2018)
  • 著者名/発表者名: 福田 真幸、山田 幾也、北條 元、田中 勝久、藤田 晃司
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第 31 回秋季シンポジウム
• [学会発表] 新規機能性酸化物の創製と機能発現機構の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田晃司
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 2018年年会
  • 招待講演
• [学会発表] 酸素欠損ペロブスカイト化合物における極性構造と弱強磁性の共存 (2018)
  • 著者名/発表者名: 辻涼介、藤田晃司、吉田傑、三宅仁介、村井俊介、田中勝久
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 2018年年会
• [学会発表] 層状ペロブスカイト強誘電体に見られる準安定な反極性構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田傑、藤田晃司、赤松寛文、Hernandez Olivier、Sen Gupta Arnab、Gibbs S. Alexandra、久家俊洋、辻涼介、村井俊介、Gopalan Venkatraman、田中勝久
  • 学会等名: 第65回応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] 新規ペロブスカイト型ニッケル酸化物の高圧合成、結晶構造および磁気的性質 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菅智樹、藤田晃司、河本崇博、田中勝久、山田幾也
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 2017年年会
  • 発表場所: 日本大学駿河台キャンパス
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Coexistence of ferroelectricity and weak ferromagnetism in iron-based layered compound (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsuji Ryosuke、Fujita Koji、Yoshida Suguru、Miyake Jinsuke、Murai Shunsuke、Tanaka Katsuhisa
  • 学会等名: IUMRS－ICAM2017
  • 国際学会
• [学会発表] ルドルスデンーポッパー相における強誘電性と構造相転移 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田傑、藤田晃司、赤松寛文、Hernandez Olivier、Sen Gupta Arnab、Gibbs S. Alexandra、久家俊洋、辻涼介、村井俊介、Gopalan Venkatraman、田中勝久
  • 学会等名: 第78回応用物理学会 秋季学術講演会
• [学会発表] 層状ペロブスカイト型酸化物における間接型強誘電性と構造相転移 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田傑、藤田晃司、赤松寛文、Hernandez Olivier、Sen Gupta Arnab、Gibbs S. Alexandra、久家俊洋、辻涼介、村井俊介、Gopalan Venkatraman、田中勝久
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第30回秋季シンポジウム
• [学会発表] 層状ペロブスカイトARTiO4 (A=アルカリ、R=希土類) における 酸素配位八面体回転に対す るカチオンサイズ効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 赤松 寛文、藤田晃司、田中勝久、田中功、Venkatraman Gopalan
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2016-09-21
• [学会発表] Large Faraday Effect of Amorphous Iron Silicate Thin Films by Metallic Iron (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuko Nakatsuka, Kilian Pollok, Falko Langenhorst, Lothar Wondraczek, Shunsuke Murai, Koji Fujita, and Katsuhisa Tanaka
  • 学会等名: JSAP Autumn Meeting
  • 発表場所: Toki Messe, Niigata
  • 年月日: 2016-09-13
  • 国際学会
• [学会発表] 新規ペロブスカイト型鉄酸フッ化物の合成と物性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹入史隆、山本隆文、藤田晃司、細川三郎、小林洋治、陰山洋、林直 顕、池田一貴、本田孝志、大友季哉
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第29回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 広島大学 東広島キャンパス
  • 年月日: 2016-09-07
• [学会発表] Novel Oxynitride Perovskite with a High-Temperature-type LiNbO3 Structure (2016)
  • 著者名/発表者名: Cedric Tassel, Yoshinori Kuno, Koji Fujita, Daichi Watabe, Dmitry Batuk, Artem M. Abakumov, Kazuki Shitara, Akihide Kuwabara, Hiroki Moriwake, Clemens Ritter, Craig M. Brown, Takafumi Yamamoto, Ryu Abe, Yoji Kobayashi, Katsuhisa Tanaka, Hiroshi Kageyama
  • 学会等名: 日本セラミックス協会 第29回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 広島大学 東広島キャンパス
  • 年月日: 2016-09-07
• [図書] How Can We Control the “Element-Blocks” in Transition Metal Oxide Crystals?. In: Chujo Y. (eds) New Polymeric Materials Based on Element-Blocks（分担執筆） (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Katsuhisa、Fujita Koji
  • 総ページ数: 444
  • 出版者: Springer、Singapore
  • ISBN: 9789811328886
• [備考] 京都大学大学院工学研究科 材料化学専攻 機能材料設計学講座 藤田研究室
  • URL: http://www1.kuic.kyoto-u.ac.jp
• [備考] 京都大学 大学院工学研究科 材料化学専攻 無機材料化学講座 応用固体化学分野 田中研究室
  • URL: http://dipole7.kuic.kyoto-u.ac.jp