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チタン酸ビスマス高温圧電セラミックのドメイン構造と分極ダイナミクス

研究課題

研究課題/領域番号 22KF0290
補助金の研究課題番号 21F21704 (2021-2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2021-2022)
応募区分外国
審査区分 小区分18010:材料力学および機械材料関連
研究機関九州大学

研究代表者

陳 強  九州大学, 工学研究院, 教授 (30264451)

研究分担者 XIE SHAOXIONG  九州大学, 工学研究院, 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
2,200千円 (直接経費: 2,200千円)
2023年度: 500千円 (直接経費: 500千円)
2022年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2021年度: 600千円 (直接経費: 600千円)
キーワードBismuth titanate / Atomic arrangement / Domain walls / Piezoelectric responses / Spatial model / Bismuth titanite / Atomic observations / Polarization shift / Domain switching
研究開始時の研究の概要

Spatial domain structures and electric/mechanical field-induced polarization dynamics are deeply studied in order to unravel domain structures and its structural origin, explore atomic polarization distributions and reconstruct the spatial domain patterns, expound polarization dynamic behaviors and analyze the domain switching mechanism, and build physical model and optimize domain configuration.

研究実績の概要

Bismuth titanate (BIT) ceramics are potential candidates for high-temperature sensing applications. Despite great advances in performance optimization, the research on domain structures and polarization dynamics are still scarce, limiting further development of such advanced functional materials for more emerging applications. Here, our work focuses on the detailed characterization of domain structures at multi-scale and polarization dynamic behaviors under both electrical and mechanical loads. In brief, the morphologies of domain structures were characterized by PFM at micro-scale, and then structural features of ferroelectric domains were analyzed by TEM and HRTEM at micro-scale and nano-scale, respectively. Most importantly, the polarization vectors of ferroelectric domains were directly observed by atomic-resolution HAADF-STEM. To elaborate the polarization dynamics under electric fields, a series of bias voltages were applied on the surface of ceramics by using PFM lithography, revealing the significant evolution behaviors of ferroelectric domains under applied electric fields. Besides, nanoindentation technique was employed to unravel the ferroelectric domain effect on mechanical properties of BIT ceramics, demonstrating that more domain walls have a positive effect on mechanical hardness. Moreover, polarization dynamics under both constant and cyclic mechanical stresses were elucidated based on nonlinear deformation or domain switching including reversible domain switching and irreversible domain switching in stress-strain curves of ceramics.

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 4件、 査読あり 4件)

  • [国際共同研究] Chendu University/Sichuan University(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Friedrich-Alexander University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Sichuan University(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Realizing Super‐High Piezoelectricity and Excellent Fatigue Resistance in Domain‐Engineered Bismuth Titanate Ferroelectrics2024

    • 著者名/発表者名
      Xie Shaoxiong、Xu Qian、Chen Qiang、Zhu Jianguo、Wang Qingyuan
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 34 号: 18

    • DOI

      10.1002/adfm.202312645

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Significantly enhanced performance and conductivity mechanism in Nb/Mn co-doped CaBi4Ti4O15 ferroelectrics2024

    • 著者名/発表者名
      Xu Jiageng、Xie Shaoxiong、Xu Qian、Xing Jie、Wang Qingyuan、Zhu Jianguo
    • 雑誌名

      Journal of Materiomics

      巻: 10 号: 3 ページ: 652-669

    • DOI

      10.1016/j.jmat.2023.09.003

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Tailoring hardness behaviors of BIT-based piezoceramics via doping and annealing strategies2023

    • 著者名/発表者名
      Xu Qian、Xie Shaoxiong、Li Lang、Xing Jie、Chen Qiang、Zhu Jianguo、Wang Qingyuan
    • 雑誌名

      Journal of the European Ceramic Society

      巻: 43 号: 3 ページ: 916-927

    • DOI

      10.1016/j.jeurceramsoc.2022.11.011

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] In-depth understanding of {110}-type domain walls in bismuth titanate ceramics2022

    • 著者名/発表者名
      Xie Shaoxiong、Shi Jikai、Xu Qian、Wang Qingyuan、Zhu Jianguo、Sato Yukio、Chen Qiang
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 217 ページ: 114793-114793

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2022.114793

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著

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公開日: 2022-02-08   更新日: 2024-12-25  

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