理論と実験の結合による新規反強誘電性層状酸化物の開拓と結晶化学的チューニング

• 研究課題/領域番号: 18H01892
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分30010:結晶工学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 赤松 寛文 九州大学, 工学研究院, 准教授 (10776537)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021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); 2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2020年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2019年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
• キーワード: 反強誘電体 / 層状ペロブスカイト / 第一原理計算 / セラミックス / 結晶化学 / 層状ペロブスカイト酸化物 / 層状物質 / ペロブスカイト

研究成果の概要

本研究では、新規な層状ペロブスカイト強誘電体および反強誘電体を発見した。Dion-Jacobson型層状ペロブスカイトCsNdNb2O7およびRbNdNb2O7が室温で強誘電性を示すことを明らかにした。CsNdNb2O7は625 K以上で常誘電体に相転移することが明らかになった。一方で、Ruddlesden-Popper型層状ペロブスカイトLi2SrNb2O7が、200 K以下で反強誘電性を示すことを明らかにした。これらの層状ペロブスカイトの主な違いが層間構造であることから、層間構造のチューニングにより、誘電性の制御が可能であることが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、新規な層状ペロブスカイト強誘電体および反強誘電体を発見した。これらの誘電性は、従来型のペロブスカイトとは異なる機構に基づく。反強誘電体は、パワーエレクトロニクスにおいて不可欠である高電場下での誘電率、電気エネルギー貯蔵、あるいは電気熱量効果などにおいて、強誘電体よりも優れた特性を示し得る。強誘電体では高電場下において誘電率が低下する。一方で、反強誘電体では、極性状態に転移する電場近傍で誘電率が非常に大きくなる。また、反強誘電体の電気エネルギー貯蔵量は、強誘電体に比べて約2倍の大きさになる。本研究で得られた反強誘電体の設計指針は、新規な反強誘電体の開発に寄与することが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Pennsylvania State University/Northwestern University(米国)
• [国際共同研究] Pennsylvania State University/Northwestern University(米国)
• [国際共同研究] ISIS Pulsed Neutron and Muon Source(英国)
• [国際共同研究] Univ Rennes(フランス)
• [雑誌論文] Electronic Origin of Non-Zone-Center Phonon Condensation: Octahedral Rotation as a Case Study (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Suguru、Akamatsu Hirofumi、Hayashi Katsuro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 号: 21 ページ: 215701-215701
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.215701
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectricity of Dion-Jacobson layered perovskites CsNdNb2O7 and RbNdNb2O7 (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Asaki, H. Akamatsu, G. Hasegawa, T. Abe, Y. Nakahira, S. Yoshida, C. Moriyoshi, K. Hayashi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SP ページ: SPPC04-SPPC04
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abad46
  • 査読あり
• [雑誌論文] A-site cation size effect on oxygen octahedral rotations in acentric Ruddlesden-Popper alkali rare-earth titanates (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Akamatsu, Koji Fujita, Toshihiro Kuge, Arnab Sen Gupta, James M. Rondinelli, Isao Tanaka, Katsuhisa Tanaka, Venkatraman Gopalan
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 3 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.3.065001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Competing Polar and Antipolar Structures in the Ruddlesden-Popper Layered Perovskite Li2SrNb2O7 (2019)
  • 著者名/発表者名: Uppuluri Ritesh、Akamatsu Hirofumi、Sen Gupta Arnab、Wang Huaiyu、Brown Craig M.、Agueda Lopez Kleyser E.、Alem Nasim、Gopalan Venkatraman、Mallouk Thomas E.
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 31 号: 12 ページ: 4418-4425
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b00786
  • 査読あり / 国際共著
• [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] Strain-engineered Peierls instability in layered perovskite La3Ni2O7 from first principles (2018)
  • 著者名/発表者名: Mochizuki Yasuhide、Akamatsu Hirofumi、Kumagai Yu、Oba Fumiyasu
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 2 号: 12
  • DOI: 10.1103/physrevmaterials.2.125001
  • 査読あり
• [学会発表] 低許容因子ペロブスカイト型フッ化物LixCoF3のトポケミカル合成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松尾祐美、松川祐子、北角将晃、赤松寛文、長谷川丈二、吉田傑、大野真之、林克郎
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] 層状ペロブスカイトNaLaTiO4へのフッ素導入による配位八面体回転誘起 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石渕圭祐、赤松寛文、吉田傑、大野真之、林克郎
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] Fluorination-Induced Rotations of Anion Coordinated Octahedra in a Layered Perovskite NaLaTiO4 (2021)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Akamatsu, Keisuke Ishibuchi, Suguru Yoshida, Saneyuki Ohno, Katsuro Hayashi
  • 学会等名: International Conference on Mixed Anion Compounds
• [学会発表] ブリルアンゾーン境界フォノン凍結に関する電子論 -配位八面体回転 の 電子論的起源- (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田 傑 、赤松 寛文、林 克郎
  • 学会等名: 第 41 回電子材料研究討論会プログラム
• [学会発表] ゾーン境界フォノン凍結に関する電子論 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田 傑 、赤松 寛文、林 克郎
  • 学会等名: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [学会発表] Dion-Jacobson相(Rb,Cs)NdNb2O7の構造相転移と誘電特性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 赤松寛文
  • 学会等名: 第37回強誘電体会議（FMA37）
  • 国際学会
• [学会発表] 酸素配位八面体回転を利用した層状ペロブスカイト圧電体・強誘電体の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 赤松寛文
  • 学会等名: 第40回電子材料研究討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Dion-Jacobson層状ペロブスカイトCsNdNb2O7およびRbNdNb2O7における強誘電スイッチング (2020)
  • 著者名/発表者名: 赤松寛文、麻木宗太、長谷川丈二、林克郎
  • 学会等名: 第30回日本MRS年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Synthesis and Physical Properties of Carrier-doped Layered Perovskite Ca3Ti2O7 (2019)
  • 著者名/発表者名: KISHIMOTO Kazuhisa, AKAMATSU Hirofumi, HASEGAWA George, HAYASHI Katsuro
  • 学会等名: PACRIM13
• [学会発表] Topochemical Synthesis and Structural Analysis of Lithium Niobate-Type Fluorides (2019)
  • 著者名/発表者名: KITAKADO Masahiro, AKAMATSU Hirofumi, HASEGAWA George, HAYASHI Katsuro
  • 学会等名: PACRIM13
  • 国際学会
• [学会発表] 層状ペロブスカイト Ca3Ti2O7への水素化物イオンドーピング (2019)
  • 著者名/発表者名: 岸本 和久, 赤松 寛文, 長谷川 丈二, 林 克郎
  • 学会等名: セラミックス協会2019年年会
• [学会発表] Computational and experimental study of functional structural distortions in layered perovskite oxides (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirofumi Akamatsu
  • 学会等名: 18th International Conference and Exhibition on Materials Science and Engineering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dion-Jacobson型層状ペロブスカイト(Rb, Cs)NdNb2O7の構造と誘電特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 麻木 宗太, 赤松 寛文, 長谷川 丈二, 林 克郎
  • 学会等名: セラミックス協会第31回秋季シンポジウム
• [学会発表] 第一原理計算による新規層状ペロブスカイト酸窒化物強誘電体の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白井 佑弥, 赤松 寛文, 長谷川 丈二, 林 克郎
  • 学会等名: セラミックス協会第31回秋季シンポジウム
• [学会発表] Exploration of novel ferroelectric layered perovskite oxides by first-principles calculations (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuya Shirai, Hirofumi Akamatsu, George Hasegawa, Katsuro Hayashi
  • 学会等名: 5th SCI workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 密度汎関数理論によるルドルスデン-ポッパー層状酸化物強誘電体の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 白井 佑弥, 赤松 寛文, 長谷川 丈二, 林 克郎
  • 学会等名: 第28回日本MRS年次大会
• [備考] 九州大学応用化学部門林研究室
  • URL: http://www.cstf.kyushu-u.ac.jp/~hayashilab/