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圧電挙動その場観察蛍光X線ホログラフィーの開発と高性能非鉛圧電体への応用

研究課題

研究課題/領域番号 20K15024
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分26020:無機材料および物性関連
研究機関名古屋工業大学

研究代表者

木村 耕治  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20772875)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (2021年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
キーワード蛍光X線ホログラフィー / 鉛フリー圧電材料 / 圧電材料 / 蛍光X線ホログラフィー / 放射光X線
研究開始時の研究の概要

本研究では、鉛フリー圧電体 (Ba, Ca)(Zr, Ti)O3 (BCZT)の高い圧電性能の起源を原子レベルで解明する。BCZTは、強誘電体BaTiO3のBa及びTiをそれぞれ、CaとZrで部分置換することで得られることから、CaとZrが重要な役割を果たしていると考えられる。それらの役割を蛍光X線ホログラフィーによる元素別3次元分極構造観察によって詳細に調べる。特に、単結晶しか測定例がない本手法に対し、多結晶体へ適用可能な世界初の装置を構築した上で、電圧印加その場測定に挑戦する。母材のBaTiO3には無い特異な電場応答が期待され、高い性能の発現メカニズム解明に直結すると考えている。

研究実績の概要

本研究は鉛フリー圧電体(Ba,Ca)(Zr,Ti)O3の高い圧電性能の起源を原子レベルで解明することを目的としている。そのために、特定元素周りの3次元原子配列を可視化できる蛍光X線ホログラフィー(XFH)を実施した。
まず、BaTiO3にCaを添加した(Ba0.9Ca0.1)TiO3の単結晶を準備し、XFHによってBa及びCa周りの局所構造観測を行った。得られた結果からBa周りの原子像は等方的な形状をしていたのに対し、Ca周りでは原子像が特定の方向に伸びた形状をとることが分かった。これはCaイオンが大きくシフトしていることを示している。原子像形状を詳細に解析することで、Caイオン及び周囲の原子の変位の定量評価まで行うことができた。この変位は、CaイオンがはBaイオンよりも半径が小さく周囲に隙間が生じることに起因し、圧電性能向上の要因であると考えられる。
次に、Zrを微量に添加した(Ba0.798Ca0.202)(Zr0.006Ti0.994)O3単結晶のXFH測定を実施しZr周りの局所構造を観測した。その結果、Zrに最も近いカチオンであるCaやBaはZrから離れる方向に変位する一方、一つ離れたカチオンであるTiはZrに近づく方向に変位することが分かった。Zrは母材のTiよりもイオン半径が大きいため、周辺の格子を押し広げ、その結果生じたスペースを利用してTiイオンが変位したと推察される。このような変位も圧電性能向上に寄与していると考えられる。
さらに、Zrをより多く添加した試料についてはXFHで必要となる単結晶の育成が難しいことから、SPring-8の提供するマイクロビームX線を多結晶中の結晶粒に照射し単結晶と同等のデータを得ることを試みた。その結果、単結晶に特有のコッセル線と呼ばれるバターンを確認し、多結晶のXFH測定の道筋をつけることができた。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Erlangen-Nurnberg University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Significant displacement of calcium and barium ions in ferroelectric (Ba<sub>0.9</sub>Ca<sub>0.1</sub>)TiO<sub>3</sub> revealed by x-ray fluorescence holography2022

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Y.、Kawamura K.、Sugimoto H.、Gadelmawla A.、Kimura K.、Happo N.、Tajiri H.、Webber K. G.、Kakimoto K.、Hayashi K.
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 120 号: 5 ページ: 052905-052905

    • DOI

      10.1063/5.0076325

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Local Structural Investigation of (Ba,Ca)(Zr,Ti)O<sub>3</sub> and Ca(Zr,Ti)O<sub>3</sub> by X‐Ray Fluorescence Holography2022

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Yuta、Kimura Koji、Gadelmawla Ahmed、Kawamura Keisuke、Sugimoto Hina、Liu Donglin、Li Qiang、Yan Qingfeng、Khansur Neamul H.、Happo Naohisa、Kakimoto Ken‐ichi、Webber Kyle G.、Hayashi Kouichi
    • 雑誌名

      physica status solidi (b)

      巻: 2100609 号: 9 ページ: 2100609-2100609

    • DOI

      10.1002/pssb.202100609

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] X-ray Fluorescence Holography as a Probe of Hyper-Ordered Structures2022

    • 著者名/発表者名
      Kimura Koji
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 91 号: 9 ページ: 091005-091005

    • DOI

      10.7566/jpsj.91.091005

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Element-selective local structural analysis around B-site cations in multiferroic Pb(Fe1/2Nb1/2 )O3 using x-ray fluorescence holography2021

    • 著者名/発表者名
      Kimura K.、Urushihara D.、Kondo R.、Yamamoto Y.、Ang A. K. R.、Asaka T.、Happo N.、Hagihara T.、Matsushita T.、Tajiri H.、Miyazaki H.、Ohara K.、Iwata M.、Hayashi K.
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 104 号: 14 ページ: 144101-144101

    • DOI

      10.1103/physrevb.104.144101

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 蛍光X線ホログラフィーで解き明かす結晶中のドーパント構造2022

    • 著者名/発表者名
      木村耕治
    • 学会等名
      第10回クリスタル科学セミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] マルチフェロイック物質 Pb(Fe1/2Ta1/2)O3の 単結晶育成と構造評価2022

    • 著者名/発表者名
      井上雄登 , 木村耕治 , 山本裕太 , A.K.R. Ang, 漆原大典 , 八方直久, 松下智裕, 岩田真 , 林好一
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会(2022年)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光X線ホログラフィーによる 複合ペロブスカイト物質Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 におけるBサイト元素選択局所構造解析2021

    • 著者名/発表者名
      木村耕治、近藤陸弥、漆原大典、浅香透、尾原幸治、山本裕太、A.K.R. Ang、 萩原丈皓、八方直久、田尻寛男、松下智裕、岩田真、林好一
    • 学会等名
      第34回日本放射光学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] X線非弾性散乱による (Ba1-xCax)TiO3強誘電体のフォノン解析2021

    • 著者名/発表者名
      川村啓介 , 木村耕治 , 中埜彰俊, 中神秀麻 , 山本裕太 , 杉本陽菜 , 筒井智嗣, 柿本健一 , K. Webber, 林好一
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 鉛フリー圧電材料Ba1-xCaxZryTi1-yO3の 蛍光X線ホログラフィーを用いた局所構造解析2021

    • 著者名/発表者名
      山本裕太, 木村耕治, Gadelmawla Ahmed, 川村啓介, 杉本陽菜, 八方直久, 柿本健一, Kyle Webber, 林好一
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光X線ホログラフィーによる 複合ペロブスカイト物質Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 におけるBサイト元素選択局所構造解析2020

    • 著者名/発表者名
      木村耕治、近藤陸弥、漆原大典、浅香透、尾原幸治、山本裕太、A.K.R. Ang、 萩原丈皓、八方直久、田尻寛男、松下智裕、岩田真、林好一
    • 学会等名
      第34回日本放射光学会年会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [備考] X線を使ったホログラフィー技術で鉛フリー圧電材料高性能化の鍵因子を特定

    • URL

      https://www.nitech.ac.jp/news/press/2021/9392.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 構造物性科学研究室

    • URL

      http://structure.web.nitech.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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