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トポロジカル磁性強誘電体の材料力学的創発と量子機械工学の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 23H00159
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
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
研究機関京都大学

研究代表者

嶋田 隆広  京都大学, 工学研究科, 教授 (20534259)

研究分担者 見波 将  京都大学, 工学研究科, 助教 (10876840)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
47,190千円 (直接経費: 36,300千円、間接経費: 10,890千円)
2025年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)
2024年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円)
2023年度: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
キーワード格子欠陥 / 強誘電体 / 磁性 / マルチフィジックス特性 / 第一原理計算
研究開始時の研究の概要

近年、材料中に遍在する格子欠陥に原子スケールかつトポロジカルな秩序を持った微小な磁性・強誘電性が現れることが発見され、欠陥を用いた新しい機能性ナノデバイスへの応用可能性から注目を集めている。本研究では、大規模かつ精密な第一原理計算手法により、格子欠陥が創り出す未知のトポロジカル磁性・強誘電特性とその発現機構を明らかにする。さらに、外力負荷によるひずみとトポロジカル磁性・強誘電特性との連動特性(マルチフィジックス特性)を評価・解明することで、臨界寸法を超えた超微小スケールの磁性強誘電機能を力学的に制御・設計する基盤の構築を目指す。

研究実績の概要

(1)格子欠陥に発現するトポロジカルな磁性・強誘電性の解析のため、量子力学解析と効率的な分子力学解析を組み合わせたハイブリッド法のプログラムを構築し、これを欠陥用に整備し、転位等の比較的大規模な解析ができるようにコーディングを行った。また、DFT+U法のパラメータを検討し、欠陥電子状態を精密に解析できるように最適化を行った。本方法により酸素空孔に局在化する電子状態を再現できた。
(2)並列計算システムを構築し、上記の解析プログラムの実施用に計算機環境のチューニングを行った。また、上記解析プログラムが問題なく実施できるように調整し、これを確認した。
(3)格子欠陥解析評価のため系統的な欠陥構造モデリングを行った。格子欠陥は、面(結晶粒界や双晶境界)・線(転位)・点(原子空孔や格子間原子)を基礎とする低次元構造を有することが特徴であり、これらの欠陥について体系的にモデル化を実施した。
(4)上記(1)-(3)で構築した解析システムと欠陥モデリングを用いて、格子欠陥における原子スケールのトポロジカルな磁性強誘電性の発現の有無ならびにその性質について第一原理計算を行った。本年度は、主として点欠陥である原子空孔についての評価解析を実施した。SrTiO3表面上の酸素空孔では局所的に分極ならびに磁性が現れ、原子スケールのマルチフェロイクスとして振る舞うことを示した。さらに、空孔周辺の分極は上下方向に渦を巻くように変遷しており、空孔を中心としたスキルミオン構造を形成することを示した。分極スキルミオンは負の誘電率やテレポーテーションなど従来にはない物性・応答を示すことから注目を集めており、これを単一空孔による原子スケールで実現できたのは本研究が世界で初めてである。なお、本成果は波及効果の高い国際誌Nano Lettersへ掲載された。

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

2023年度の実施計画は、(1)格子欠陥に発現するトポロジカルな磁性・強誘電性を解析するための高精度・ハイブリッド解析技術の構築、(2)これを実施するための専用並列計算計算装置の構築、(3)格子欠陥の系統的モデリングの実施、(4)主として点欠陥を対象とした解析実施と強誘電性・磁性発現とその特性の評価検討であった。
研究実績欄に記載の通り、項目(1)~(4)について予定どおり実施し、それぞれ順調に成果を得ており、計画はおおむね順調に進展していると判断できる。

今後の研究の推進方策

2024年度の実施計画は、昨年度に引き続き、(1)格子欠陥の系統的モデリングの実施と、(2)これらの欠陥構造モデルに対する系統的な第一原理計算の実施である。2年目は、点欠陥に加えて、より高次の欠陥構造についても評価・検討を進める。高次欠陥構造についてはモデルが大規模となり、より多くの計算資源を必要とするが、本年度構築予定の計算機増設によってこれに対応する予定である。また、(3)格子欠陥に対して外場を負荷し、その機能応答を評価する。さらに、(4)電子状態と力学場を結ぶ基礎理論を構築し、この定式化を行う予定である。

報告書

(2件)
  • 2023 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (16件) (うち国際共著 11件、 査読あり 16件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] 浙江大学/中国科学院/西南大学(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] ハノイ工科大学(ベトナム)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Mechanical Rippling for Diverse Ferroelectric Topologies in Otherwise Nonferroelectric Nanofilms2024

    • 著者名/発表者名
      Xu Tao、Wu Chengsheng、Zheng Sizheng、Wang Yu、Wang Jie、Hirakata Hiroyuki、Kitamura Takayuki、Shimada Takahiro
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 132 号: 8 ページ: 086801-086801

    • DOI

      10.1103/physrevlett.132.086801

    • 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] Low-field energy storage enhancement in ferroelectric/paraelectric PbTiO3/SrTiO3 nanocomposites near antiferroelectric-ferroelectric transition region2024

    • 著者名/発表者名
      Lich Le Van、Vu Ba-Hieu、Hue Dang Thi Hong、Giang Do Thi Huong、Shimada Takahiro、Dinh Van-Hai、Phan Manh-Huong
    • 雑誌名

      Journal of Science: Advanced Materials and Devices

      巻: 9 号: 2 ページ: 100687-100687

    • DOI

      10.1016/j.jsamd.2024.100687

    • 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] Mechanical effect on skyrmion-skyrmion interaction2024

    • 著者名/発表者名
      Wang Yu、Wang Jie、Kitamura Takayuki、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
    • 雑誌名

      International Journal of Mechanical Sciences

      巻: 261 ページ: 108699-108699

    • DOI

      10.1016/j.ijmecsci.2023.108699

    • 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] Spontaneous Atomic-Scale Polar Skyrmions and Merons on a SrTiO3 (001) Surface: Defect Engineering for Emerging Topological Orders2024

    • 著者名/発表者名
      Minami Susumu、Ikeda Yoshitaka、Shimada Takahiro
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 24 号: 12 ページ: 3686-3693

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c05112

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Emergent ultrasmall multiferroics in paraelectric perovskite oxide by hole polarons2024

    • 著者名/発表者名
      Xu Tao、Mori Masataka、Hirakata Hiroyuki、Kitamura Takayuki、Shimada Takahiro
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 26 号: 2 ページ: 842-847

    • DOI

      10.1039/d3cp05364d

    • 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] Discovery of Ultrasmall Polar Merons and Rich Topological Phase Transitions: Defects Make 2D Lead Chalcogenides Flexible Topological Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Xu Tao、Qian Tao、Wang Jie、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
    • 雑誌名

      Advanced Functional Materials

      巻: 34 号: 10 ページ: 2311141-2311141

    • DOI

      10.1002/adfm.202311141

    • 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] Efficient phase-field simulation for linear superelastic NiTi alloys under temperature gradients2023

    • 著者名/発表者名
      Xu Tao、Wang Chunyu、Zhu Yuquan、Wang Yu、Yan Yabin、Wang Jie、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
    • 雑誌名

      International Journal of Mechanical Sciences

      巻: 259 ページ: 108592-108592

    • DOI

      10.1016/j.ijmecsci.2023.108592

    • 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] Analyzing the bending deformation of van der Waals-layered materials by a semi-discrete layer model2023

    • 著者名/発表者名
      Akiyoshi Masao、Shimada Takahiro、Hirakata Hiroyuki
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 134 号: 17 ページ: 175102-175102

    • DOI

      10.1063/5.0170037

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic strengthening mechanism of covalent Si via excess electron/hole doping2023

    • 著者名/発表者名
      Noda Hiroki、Sakaguchi Shumpei、Fujita Ryoga、Minami Susumu、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 16546-16546

    • DOI

      10.1038/s41598-023-42676-z

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Intrinsic Atomic-Scale Antiferroelectric VOF<sub>3</sub> Nanowire with Ultrahigh-Energy Storage Properties2023

    • 著者名/発表者名
      Xu Tao、Zhang Jingtong、Shimada Takahiro、Wang Jie、Yang Hongxin
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 23 号: 19 ページ: 9080-9086

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c02929

    • 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] Superelastic-like nonlinear deformation hidden in ferroelectric ceramics2023

    • 著者名/発表者名
      Minami Susumu、Nakayama Tomohiro、Shimada Takahiro
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 134 号: 9 ページ: 094102-094102

    • DOI

      10.1063/5.0164669

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 鉄単結晶におけるひずみ誘起磁気相転移の電子的制御に関する第一原理解析2023

    • 著者名/発表者名
      MINAMI Susumu、ABE Yoshimasa、SHIMADA Takahiro
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 89 号: 924 ページ: 23-00119-23-00119

    • DOI

      10.1299/transjsme.23-00119

    • ISSN
      2187-9761
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ultrasmall Polar Skyrmions and Merons in SrTiO<sub>3</sub> Heterostructures by Polaron Engineering2023

    • 著者名/発表者名
      Xu Tao、Ichiki Yuuki、Masuda Kairi、Wang Yu、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 17 号: 11 ページ: 10836-10843

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c02481

    • 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] Thermal dissipation induced by fast-moving edge dislocations2023

    • 著者名/発表者名
      Xiong Qi-Lin、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 133 号: 18 ページ: 185902-185902

    • DOI

      10.1063/5.0144016

    • 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] Dynamic precursor effect: Magnitude-fluctuated coherent spin waves emitted by skyrmions2023

    • 著者名/発表者名
      Wang Yu、Wang Jie、Kitamura Takayuki、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 250 ページ: 118867-118867

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2023.118867

    • 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] Formation and switching of chiral magnetic field textures in three-dimensional gyroid nanostructures2023

    • 著者名/発表者名
      Lich Le Van、Hue Dang Thi Hong、Giang Do Thi Huong、Duc Nguyen Huu、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Dinh Van-Hai
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 249 ページ: 118802-118802

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2023.118802

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] SrTiO3 (001) 表面の原子空孔が創り出す分極Skyrmion,Meronに関する第一原理的研究2023

    • 著者名/発表者名
      池田善孝
    • 学会等名
      第8回マルチスケール材料力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 物質中の力の原子軌道分解法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      阿部能将
    • 学会等名
      第8回マルチスケール材料力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 強誘電体PbTiO3の特異な非線形変形挙動と強度特性に関する第一原理解析2023

    • 著者名/発表者名
      仲山智裕
    • 学会等名
      第8回マルチスケール材料力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 有限電場下における強誘電体PbTiO3の力学的変形挙動に関する第一原理解析2023

    • 著者名/発表者名
      仲山智裕
    • 学会等名
      日本セラミックス協会・第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ナノ・原子スケールの強誘電体先端機能創発のひずみ・欠陥エンジニアリング - マルチフェロイクスから分極スキルミオンまで2023

    • 著者名/発表者名
      嶋田隆広
    • 学会等名
      日本セラミックス協会・第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 常誘電体 SrTiO3表面の酸素空孔による 分極 Skyrmion,Meron の形成に関する第一原理解析2023

    • 著者名/発表者名
      池田善孝
    • 学会等名
      日本機械学会 第36回計算力学講演会(CMD2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] LCAO法に基づく応力の原子軌道分解法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      阿部能将
    • 学会等名
      日本機械学会 第36回計算力学講演会(CMD2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] "Defect-strain engineering for ultrasmall polar skyrmions and merons in SrTiO3"2023

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Shimada
    • 学会等名
      Joint-Symposium on Mechanics of Advanced Materials & Structures (JSMAMS 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 京都大学・材料物性学研究室

    • URL

      https://material.me.kyoto-u.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 京都大学教育研究活動データベース

    • URL

      https://kdb.iimc.kyoto-u.ac.jp/profile_private/ja.6bf4232c357d1db5.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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