低次元ナノ構造が拓く新奇強誘電特性とその力学的制御

• 研究課題/領域番号: 23686023
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 嶋田 隆広 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20534259)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 27,950千円 (直接経費: 21,500千円、間接経費: 6,450千円); 2013年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2012年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2011年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
• キーワード: 低次元構造体 / 強誘電体 / ナノスケール / マルチフィジックス特性 / 第一原理解析 / 分子動力学 / ひずみ / 機械的特性

研究概要

本研究では、並列計算による大規模量子力学解析により、ナノスケールかつ低次元周期性を有する構造体中の特異な強誘電特性を解析した。ナノ薄膜、ワイヤ、チューブ、ドットに代表されるナノ構造体中では、いずれもマクロな材料中とは全く異なる新奇な渦状強誘電分極が現れることを示した。また、その性質はナノ構造体の形状に強く依存することを明らかにした。さらに、この新奇強誘電分極とひずみとの相互作用（マルチフィジックス特性）について解析を行った。負荷に対して、新奇特性の有無や性能、また渦の数などが変化することを示した。すなわち、顕著なマルチフィジックス特性を有することが明らかになった。

研究成果

• [雑誌論文] マルチフェロイクスBiFeO_{<font size="-1">3</font>}の強誘電性－強磁性間相互作用に関する第一原理解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 有末紘,嶋田隆広,北村隆行
  • 雑誌名: 材料 巻: 63 号: 2 ページ: 168-173
  • DOI: 10.2472/jsms.63.168
  • NAID: 130003393237
  • ISSN: 0514-5163, 1880-7488
  • 査読あり
• [雑誌論文] hiral Selectivity of Improper Ferroelectricity in Single-wall PbTiO3 Nanotubes (2014)
  • 著者名/発表者名: J. Wang, T. Xu, T. Shimada, X. Wang, T. -Y. Zhang, and T. Kitamura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 89 号: 14
  • DOI: 10.1103/physrevb.89.144102
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles Calculation on Ferroelectricity and Its Coupling Behavior with Mechanical Deformation of Ultrathin PbTiO3 Nanotube (2014)
  • 著者名/発表者名: X. Wang, T. Shimada, and T. Kitamura
  • 雑誌名: Journal of Inorganic Materials 巻: 29 号: 6 ページ: 309-314
  • DOI: 10.3724/sp.j.1077
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of chirality and surface stresses on the bending and buckling of chiral nanowires (2014)
  • 著者名/発表者名: Jian-Shan Wang, Takahiro Shimada, Gang-Feng Wang, and Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 47 号: 1 ページ: 015302-015302
  • DOI: 10.1088/0022-3727/47/1/015302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chiral selectivity of unusual helimagnetic transition in iron nanotubes: Chirality makes quantum helimagnets (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 13 号: 6 ページ: 2792-2797
  • DOI: 10.1021/nl401047z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hybrid Hartree-Fock density functional study of charged point defects (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 87 号: 17 ページ: 174111-174111
  • DOI: 10.1103/physrevb.87.174111
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of grain orientation distribution in the ferroelectric and ferroelastic domain switching of ferroelectric polycrystals (2013)
  • 著者名/発表者名: Jie Wang, Weilin Shu, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura, Tong-Yi Zhang
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: Vol. 61 号: 16 ページ: 6037-6049
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2013.06.044
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusual domain evolution in semiconducting ferroelectrics: A phase field study (2013)
  • 著者名/発表者名: Jie Wang
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 377 号: 25-27 ページ: 1643-1648
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2013.04.044
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectricity at a junction structure of a 180° domain wall and a (001) surface in PbTiO3: A density functional theory study (2013)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang
  • 雑誌名: Physica B 巻: 410 ページ: 22-27
  • DOI: 10.1016/j.physb.2012.10.034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multi-physics analysis of nano-structured ferroelectrics by first-principles simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Acta Mechanica 巻: 224 号: 6 ページ: 1261-1270
  • DOI: 10.1007/s00707-013-0873-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct approach for flexoelectricity from first-principles calculations : cases for SrTiO3 and BaTiO3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Tao Xu, Jie Wang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Journal of Physics : Condensed Matter 巻: Vol. 25 号: 41 ページ: 415901-415901
  • DOI: 10.1088/0953-8984/25/41/415901
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of strain on the evolution of magnetic multi-vortices in ferromagnetic nano-platelets (2013)
  • 著者名/発表者名: Jie Wang, Jianwei Zhang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Journal of Physics : Condensed Matter 巻: Vol. 25 号: 22 ページ: 226002-226002
  • DOI: 10.1088/0953-8984/25/22/226002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of the Polarity of Magnetization Vortex by Torsion (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Wang, G. -P. Li, T. Shimada, H. Fang, and T. Kitamura
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 103 号: 24
  • DOI: 10.1063/1.4847375
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multi-physics analysis of nano-structured ferroelectrics by first-principles simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Acta Mechanica 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absence of ferroelectric critical size in ultrathin PbTiO3 nanotubes: A density-functional theory study (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 108 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.108.067601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of ferromagnetism at a vacancy on a non-magnetic ferroelectric PbTiO3 surface: A first-principles study (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 60 号: 18 ページ: 6322-6330
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2012.08.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacancy-driven ferromagnetism in ferroelectric PbTiO3 (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 100 号: 16 ページ: 162901-162901
  • DOI: 10.1063/1.4704362
  • NAID: 120004057178
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio study of spin-spiral noncollinear magnetism in a free-standing Fe(110) monolayer under in-plane strain (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 85 号: 13 ページ: 7-7
  • DOI: 10.1103/physrevb.85.134440
  • NAID: 120004108230
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain-induced phase transition in multiferroic BiFeO3 (110)c epitaxial film (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 376 号: 45 ページ: 3368-3371
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2012.08.056
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles study of nanometer-sharp domain walls in ferromagnetic Fe monolayers under in-plane strain (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 24 号: 9 ページ: 8-8
  • DOI: 10.1088/0953-8984/24/9/095303
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local suppression of ferroelectricity at PbTiO3 surface steps: A density functional theory study (2012)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 24 号: 4 ページ: 045903-045903
  • DOI: 10.1088/0953-8984/24/4/045903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio study of shear strain effects on ferroelectricity at PbTiO3 thin films (2012)
  • 著者名/発表者名: Do Van Truong
  • 雑誌名: Surface Science 巻: 606 号: 15-16 ページ: 1331-1339
  • DOI: 10.1016/j.susc.2012.04.024
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coexistence of Rectilinear and Vortex Polarizations at Twist Boundaries in Ferroelectric PbTiO3 from First-Principles (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, 他
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 83 号: 9
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.094121
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles Study of the Interplay between Grain Boundaries and Domain Walls in Ferroelectric PbTiO3 (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, 他
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 83 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevb.83.064110
  • NAID: 120006528327
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab Initio Study of Ferromagnetism in Edged Iron Nanowires under Axial Strain (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, 他
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 84 号: 17
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.174405
  • NAID: 120003644374
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab Initio Study of Ferromagnetic Single-wall Nickel Nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, 他
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 84 号: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.84.165452
  • NAID: 120003644375
  • 査読あり
• [学会発表] Origin of ferromagnetism and magnetoelectric coupling in deficient ferroelectric nanostructures (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: 2013 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2013-12-02
• [学会発表] Chiral selectivity of noncolliner spin-spiral magnetic wave excitation in iron single-wall nanotubes (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: 2013 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2013-12-02
• [学会発表] Origin of dilute ferromagnetism in deficient PbTiO3: A hybrid Hartree-Fock density-functional study (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: International Symposium on Atomistic Modeling for Mechanics and Multiphysics of Materials (ISAM4 2013)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2013-07-22
• [学会発表] Origin of dilute ferromagnetism in deficient PbTiO3: A hybrid Hartree-Fock density-functional study (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimada
  • 学会等名: International Symposium on Atomistic Modeling for Mechanics and Multiphysics of Materials (ISAM4 2013)
  • 発表場所: Tokyo (Japan)
• [学会発表] Chiral selectivity of noncolliner spin-spiral magnetic wave excitation in iron single-wall nanotubes (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimada
  • 学会等名: MRS Fall Meeting 2013
  • 発表場所: Boston (USA)
• [学会発表] Origin of ferromagnetism and magnetoelectric coupling in deficient ferroelectric nanostructures (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Shimada
  • 学会等名: MRS Fall Meeting 2013
  • 発表場所: Boston (USA)
• [学会発表] 鉄ナノチューブに発現するスピンスパイラル磁性とカイラル伝導性に関する第一原理解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 嶋田 隆広
  • 学会等名: 第18回分子動力学シンポジウム
  • 発表場所: 東京工業大学 大岡山キャンパス
• [学会発表] 鉄単層ナノチューブのらせん磁性発現とカイラル選択性に関する第一原理解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 嶋田 隆広
  • 学会等名: 日本機械学会，M&M2013 材料力学カンファレンス
  • 発表場所: 岐阜大学
• [学会発表] First-principles DFT+U calculations of multiferroicity in BiFeO3 (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: 4th International Conference on Computational Methods (ICCM2012)
  • 発表場所: Gold Coast, Australia
  • 年月日: 2012-11-27
• [学会発表] First-principles study of vacancy-induced ferromagnetism at non-magnetic ferroelectric PbTiO3 (001) surfaces (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies–International Conference on Electronic Materials 2012 (IUMRS-ICEM2012)
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 2012-09-26
• [学会発表] Noncollinear magnetic spin-spiral wave excitation in epitaxial Fe(110) monolayer from first-principles (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies–International Conference on Electronic Materials 2012 (IUMRS-ICEM2012)
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 2012-09-24
• [学会発表] 鉄モノレイヤー中のナノ磁壁構造と面内ひずみの影響に関する第一原理解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 奥野潤一, 嶋田隆広, 北村隆行
  • 学会等名: 日本機械学会関西支部第87期定時総会講演会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2012-03-17
• [学会発表] First-principles study of vacancy-induced ferromagnetism at non-magnetic ferroelectric PbTiO3 (001) surfaces (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies - International Conference on Electronic Materials 2012
  • 発表場所: Yokohama, Japan
• [学会発表] PbTiO3ナノチューブにおける強誘電特性の臨界寸法の消失 (2012)
  • 著者名/発表者名: 嶋田 隆広
  • 学会等名: 日本機械学会 第25回計算力学講演会
  • 発表場所: ポートアイランド南地区（兵庫県）
• [学会発表] First-principles simulation on twist boundary structures in ferroelectric PbTiO3 and effect of strain (2011)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 学会等名: 13th International Conference on Electronics Materials and Packaging (EMAP2011)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2011-12-15
• [学会発表] Multi-physics in low-dimensional nano-components (2011)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kitamura, Takashi Sumigawa, Takahiro Shimada
  • 学会等名: Third International Symposium on Computational Mechanics in conjunction with Second Symposium on Computational Structural Engineering (ISCM III-CSE II)
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 2011-12-07
• [学会発表] Improper ferroelectricity in ultrathin PbTiO3 nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: 2011 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2011-11-28
• [学会発表] Complex polarization ordering at twist boundaries in ferroelectric PbTiO3 : First-principles simulations (2011)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 学会等名: 2011 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2011-11-28
• [学会発表] 強誘電体PbTiO3ねじり粒界における直線状・渦状分極に関する第一原理解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang, 嶋田隆広, 北村隆行
  • 学会等名: 日本機械学会第24回計算力学講演会
  • 発表場所: 岡山大学
  • 年月日: 2011-10-08
• [学会発表] First-principles study of tunable ferroelectricity in PbTiO3 nanowires under axial strain (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 学会等名: The 2011 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics (ASEM' 11plus)
  • 発表場所: Seoul, Korea
  • 年月日: 2011-09-20
• [学会発表] Ferromagnetic-like closure domains in ferroelectric PbTiO3 nano-films from first-principles (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Xiaoyuan Wang, Takayuki Kitamura
  • 学会等名: International Symposium on Atomistic Modeling for Mechanics and Multiphysics of Materials (ISAM4)
  • 発表場所: 東京大学・生産技術研究所
  • 年月日: 2011-07-20
• [学会発表] Ab initio study of ferroelectricity at PbTiO3 twist boundary (2011)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 学会等名: International Symposium on Atomistic Modeling for Mechanics and Multiphysics of Materials (ISAM4)
  • 発表場所: 東京大学・生産技術研究所
  • 年月日: 2011-07-20
• [学会発表] Multi-physics analysis of nano-components by first-principles simulation (2011)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kitamura, Takahiro Shimada, Takashi Sumigawa
  • 学会等名: 3rd International Conference on Heterogeneous Material Mechanics (ICHMM-2011)
  • 発表場所: Shanghai, China
  • 年月日: 2011-05-23
• [学会発表] Ferroelectric closure domains in ultrathin PbTiO3 films from first principles (2011)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang, 供田梢吾, 嶋田隆広, 北村隆行
  • 学会等名: 第1回マルチスケールマテリアルモデリングシンポジウム
  • 発表場所: 大阪大学コンベンションセンター
  • 年月日: 2011-05-23
• [学会発表] 鉄モノレイヤー中のナノ磁壁構造とひずみの影響に関する第一原理解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 奥野潤一, 石井義之, 嶋田隆広, 北村隆行
  • 学会等名: 第1回マルチスケールマテリアルモデリングシンポジウム
  • 発表場所: 大阪大学コンベンションセンター
  • 年月日: 2011-05-23
• [図書] Fracture Nanomechanics (2011)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kitamura, Hiroyuki Hirakata, Takashi Sumigawa, Takahiro Shimada
  • 総ページ数: 297
  • 出版者: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd.
• [図書] Fracture Nanomechanics (2011)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kitamura, Hiroyuki Hirakata, Takashi Sumigawa, Takahiro Shimada
  • 総ページ数: 297
  • 出版者: Pan Stanford Publishing Pte.Ltd.
• [備考]
  • URL: http://cyber.kues.kyoto-u.ac.jp/
• [備考]
  • URL: http://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/gT3rQ
• [備考] 京都大学 材料物性学研究室
  • URL: http://kitamura-lab2.p2.weblife.me/
• [備考] 京都大学 教育研究活動データベース
  • URL: http://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/gT3rQ
• [備考] 材料物性学
  • URL: http://kitamura-lab.p1.bindsite.jp/kyoto-u/index.html
• [備考]
  • URL: http://cyber.kues.kyoto-u.ac.jp/