| 研究課題/領域番号 |
21H04534
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
澄川 貴志 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (80403989)
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| 研究分担者 |
島 弘幸 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (40312392)
梅野 宜崇 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (40314231)
安部 正高 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (50582623)
服部 梓 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (80464238)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
43,030千円 (直接経費: 33,100千円、間接経費: 9,930千円)
2023年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
2022年度: 11,830千円 (直接経費: 9,100千円、間接経費: 2,730千円)
2021年度: 22,360千円 (直接経費: 17,200千円、間接経費: 5,160千円)
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| キーワード | ナノ / フレクソエレクトリシティ / 強誘電体 / 座屈 / メカニカルメモリ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ひずみ勾配を有する強誘電材料に生じるフレクソエレクトリック効果に着目する。材料寸法がナノサイズになると，自由表面や超急峻化されたひずみ勾配によって，マクロとは異なる特異な振れくそエレクトリック効果を生じることが予測される．電子顕微鏡内その場観察負荷実験および力学解析を行ってその詳細およびメカニズムを明らかにすることに加え、その支配因子を特定して理論を構築する。さらに、ナノフレクソエレクトリック効果を応用したメカニカルメモリ素子を設計し、試作を行う。
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| 研究実績の概要 |
令和4年度の研究実績は、以下のように纏めることができる。1．前年度、二重片持ち梁試験片によって得られた挙動が、フレクソエレクトリック現象に起因するものであることを特定するための試験手法を考案した。チタン酸バリウム（BaTiO3）単結晶で作製した試験片は、ナノサイズの試験部の端部に直交したカンチレバー部を設けたT字形状を有しており、ナノインデンテーション装置を用いてカンチレバーに異なる方向から負荷を与えることで、試験部に正負の曲げ変形を負荷できる。この手法であれば、試験部の初期状態の分極方向が不明であってもフレクソエレクトリシティの効果を検証することができる。試験前の試験部には長手方向に対して斜めに配置されたドメイン壁が存在しており、曲げ負荷を与えるとドメインが消失した。除荷を行うと、試験部の長手軸に対して反転したドメイン壁が現れた。続いて逆方向の曲げ負荷を与えると、同様にドメインが消失し、除荷によって再度反転したドメインが現れた。その後の繰り返し負荷によっても同様の結果が得られた。本結果より、曲げ負荷によるドメイン壁の反転（分極方向の反転）は、フレクソエレクトリシティの効果のよるものであることを特定した。2．前年度に引き続き、フェーズフィールド法解析の解析コードの整備を行い、実際にシミュレーションを実施してその正当性の検証を実施した。また、形状および曲げ負荷を考慮した解析の実現を図った。3．実験で得られた異なる方向の曲げ負荷のドメインスイッチング現象を基に、次年度に作製するバックリングメモリに用いる材料、素子構造及び作製手法について検討を行った。4．メモリ機能を確認するための圧電応答顕微鏡を導入した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
令和4年度は、前年度に引き続き、ナノフレクソエレクトリシティの効果の検証のための実験、シミュレーションの開発および実施、および、力学的な検討が主な研究計画であった。前年度に得た現象について、そのメカニズムを明らかにするための新たな試験手法を考案・実施し、その特定に成功した。特に、初期の分極方向が不明であってもフレクソエレクトリシティ効果を特定できる手法を開発したことは、重要な成果であり、計画通りの進捗である。また、検討に用いるフェーズフィールドシミュレーション手法の開発についてもその動作確認とともに順調に進んでいる。導入した圧電応答顕微鏡について、BaTiO3を用いた分極測定にも成功し、さらに今後開発するメカニカルメモリ試料全体の力学状態を制御可能とするために、軽量且つ小容量の四点曲げ治具を作製し、試料に負荷を与えながら分極測定が可能な装置の開発にも成功した。研究は順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
当初の計画に沿って研究を実施する予定である。令和5年度の計画は、“ナノフレクソエレクトリシティ現象の解明”および“メカニカルメモリ素子の開発と検証”である。フェーズフィールドシミュレーション結果と実験結果の対比により、ナノフレクソエレクトリティ現象の解明を行う。また、総合的な観点から力学的な理論構築を試みる。メカニカルメモリ素子は、基板上に単結晶膜を成膜する必要があることから、これまで実験に用いたBaTiO3ではその実現が難しい。このため、対象材料をチタン酸ジルコン酸塩（PZT）とし、単結晶膜からナノ試験片を作製し、同様の効果を検証する。その後、しわ構造を有するPZT単結晶膜の基板上への生成を試みる。圧電応答顕微鏡を用いてサンプル内の分極の初期状態を特定した後、現有のマイクロプロービング装置を用いてしわ部でバックリングを生じさせる。再度圧電応答顕微鏡を用いて計測を行い、メカニカルメモリ素子の実現について検証を行う。
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