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電場に同期した電子状態のリアルタイム観測による隠れた強誘電性の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K22428
補助金の研究課題番号 22H01157 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
研究機関広島大学

研究代表者

中島 伸夫  広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 准教授 (90302017)

研究分担者 安井 伸太郎  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40616687)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)
2024年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2023年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2022年度: 13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)
キーワード外部電場同期のX線吸収分光法 / チタン酸ストロンチウム / 強誘電性 / フレキソ電気性 / 電子状態 / 外部電場同期のX線吸収分光 / チタン酸ストロンチウム極薄膜
研究開始時の研究の概要

(基盤B:18H01153)で開発した「外部電場に同期したサブマイクロ秒時間分解X線吸収分光法」により、常誘電体SrTiO3薄膜に生じる隠れた強誘電性を明らかにしつつある。これまでの研究成果を本年度中に論文発表する。同手法に依り得られた結果を、低速陽電子回折実験によって定量的に解明する。

研究実績の概要

全温度にわたって安定な常誘電体であるチタン酸ストロンチウムが、応力歪みや酸素欠損によって強誘電性が現れることがたびたび報告されてきた。近年、室温でも強誘電性が安定に存在するとの報告が相次いでおり、鉛フリー強誘電体としての期待が高まっている。
本研究では、この強誘電性が「外部電場に自発分極が応答する直接型強誘電性であるか」を明らかにする。特に、分極の担い手であるチタンと酸素の共有結合の電場と温度に対する安定性に注目する。実験は、半導体X線検出器の全シグナルを取り込んで測定する外部電場同期のX線吸収分光法の性能を向上させて行う。この手法はあらゆる強誘電体の電子状態測定に適用可能である。酸化ハフニウムや強誘電体メモリ材料など、未解決な点が多く残る注目の新規強誘電性(隠れた強誘電性)にも測定の対象を広げ、電子状態からそのエネルギー安定性を解明する。
初年度は、導電性基板上に蒸着した厚さ15~25nmのチタン酸ストロンチウム薄膜について外部電場に同期したチタンK吸収端スペクトルの測定を行った。これまで研究成果に基づいて、誘電分極の大きさに比例したスペクトル構造(Ti 3d egピーク)の電場応答を確かめたところ、基板の下向きに卓越的に配向した分極の存在が明らかになった。さらに、この分極は膜厚の減少にしたがって減少することも明らかになった。一方で、膜厚が薄い場合は、下向きに配向した分極が外部電場による反転が抑制されることも明らかになった。
2年目は、初年度の結果を踏まえ、室温(300 K)から低温(100 K)の温度範囲でチタンK吸収端スペクトルの温度依存性の測定を行った。挑戦的な測定方法であったため、十分な温度依存性を得るまでには至らなかったが、技術的な改善点が明らかになったことから、最終年度に温度依存性を成功させ、「強誘電体チタン酸ストロンチウム」の解明を目指す。

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

研究対象物質についてスペクトルデータ測定はできている。チタン酸ストロンチウム薄膜で見出された誘電性が、通常の強誘電性と考えるよりはフレキソ電気性(液晶のように曲げると現れる電気的な歪み)であることを確定的にするための実験に加え、測定対象を他のチタン酸化物についても広げるなど、ほぼ計画通りに研究が進行している。
また、放射光X線を用いた実験を定常的に行うための実験課題も採択されており、当面の研究計画に問題はない。

今後の研究の推進方策

研究初年度に測定したスペクトルで、チタン酸ストロンチウム薄膜には自発分極が生じていること、膜厚の依存して分極の大きさや電場応答が変化することなどが明らかになった。
今後は、分極を作り出すもう一方の主役、つまり酸素イオンの電場応答についても研究を展開する。さらに、室温から100Kの温度範囲での測定を行い、チタン酸ストロンチウム薄膜が強誘電体としての性質を示すかを解明する。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (32件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 学会発表 (29件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [国際共同研究] Inst. Solid State Physics, U. of Latvia(ラトビア)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Brookhaven National Laboratory(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Birla Inst. Tech.&Sci., Pilani(インド)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 逆モンテカルロ法によるチタン酸ストロンチウムの局所構造解析2024

    • 著者名/発表者名
      上條快、中島伸夫、樊東暁、Andris Anspoks
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる第18回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 二酸化チタン界面における光触媒活性向上の起源2024

    • 著者名/発表者名
      廣森慧太、下山絢女、中島伸夫、長谷川巧、和田真一、高橋修、間瀬一彦、小澤健一
    • 学会等名
      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 時間分解XASとHERFD-XASで明らかにする常誘電体SrTiO3の双極子モーメント2024

    • 著者名/発表者名
      中島伸夫、猫本勇輝、上條快、安井伸太郎、足立純一、丹羽尉博、野澤俊介、手塚手塚、岩住俊明
    • 学会等名
      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Aサイト秩序型ペロブスカイトCaCu3Ti4O12の電子構造と局所構造2024

    • 著者名/発表者名
      島村仁章、任皓駿、渡辺孝夫、野澤俊介、中島伸夫、岩住俊明、細川伸也、八方直久、林好一、木村耕治、手塚泰久
    • 学会等名
      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 広角駆動の二軸試料ゴニオメータの開発と顕微光電子分光測定への応用2024

    • 著者名/発表者名
      小澤健一、相浦義弘、簔原誠人、廣森慧太、下山絢女、中島伸夫、間瀬一彦
    • 学会等名
      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 顕微X線光電子分光による Pd-Rh合金表面の電子状態と吸着特性の研究2024

    • 著者名/発表者名
      下山絢女、廣森慧太、中島伸夫、石松直樹、間瀬一彦、小澤健一
    • 学会等名
      第37回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] チタン酸ストロンチウム薄膜の歪み誘起分極の電場応答2024

    • 著者名/発表者名
      中島伸夫、猫本勇輝、上條快、野田眞太郎、安井伸太郎、足立純一、丹羽尉博、仁谷浩明
    • 学会等名
      2023年度量子ビームサイエンスフェスタ/第15回MLFシンポジウム/第41回PFシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Aサイト秩序型ペロブスカイトCaCu3Ti4O12の電子構造の温度依存性2024

    • 著者名/発表者名
      手塚泰久、島村仁章、任皓駿、渡辺孝夫、野澤俊介、中島伸夫、岩住 俊明
    • 学会等名
      2023年度量子ビームサイエンスフェスタ/第15回MLFシンポジウム/第41回PFシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Pd-Rh合金表面の顕微光電子分光による評価2024

    • 著者名/発表者名
      小澤健一、下山絢女、廣森慧太、石松直樹、中島伸夫、間瀬一彦
    • 学会等名
      2023年度量子ビームサイエンスフェスタ/第15回MLFシンポジウム/第41回PFシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] X線発光によるAサイト秩序型ペロブスカイトCaCu3Ti4O12の電子構造の研究2024

    • 著者名/発表者名
      手塚泰久、島村仁章、任皓駿、渡辺孝夫、野澤俊介、中島伸夫、岩住俊明
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 二吸収端EXAFS同時解析によるチタン酸ストロンチウムのAサイト寄与の探究2023

    • 著者名/発表者名
      上條快、中島伸夫、樊東暁、Andris Anspoks
    • 学会等名
      第26回 XAFS討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] アナターゼ/ルチル界面における光触媒活性向上の起源:光触媒活性とバンドベンディングの相関2023

    • 著者名/発表者名
      廣森慧太、中島伸夫、下山絢女、長谷川巧、和田真一、高橋修、間瀬一彦、小澤健一
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回 年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] SrTiO3薄膜の歪み誘起分極の電場応答 II2023

    • 著者名/発表者名
      猫本勇輝、加藤盛也、上條快、中島伸夫、野田眞太郎、安井伸太郎、足立純一、丹羽尉博、仁谷浩明
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回 年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] SrTiO3薄膜の歪み誘起分極の電場応答II2023

    • 著者名/発表者名
      猫本勇輝、〇中島伸夫、上條快、野田眞太郎、安井伸太郎、足立純一、丹羽尉博、仁谷浩明
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる第17回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] アナターゼ/ルチル界面における光触媒活性向上の起源2023

    • 著者名/発表者名
      廣森慧太、中島伸夫、下山絢女、長谷川巧、和田真一、高橋修、間瀬一彦、小澤健一
    • 学会等名
      強的秩序とその操作に関わる第17回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Electric field response of strain-induced polarization in SrTiO3 thin film2023

    • 著者名/発表者名
      Nobuo Nakajima
    • 学会等名
      International Conference on Frontier Materials 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Dielectric Response of SrTiO3 Thin Films under AC Field Proved by Microsecond Time-Resolved X-ray Absorption Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Nobuo Nakajima, Yuki Nekomoto, Kai Kamijo, Jun-ichi Adachi, Hiroaki Nitani, Yasuhiro Niwa, Sou Yasuhara, and Shintaro Yasui
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Correlation between Enhancement Photocatalytic Activity and Band Bending at the Anatase/Rutile Interface2023

    • 著者名/発表者名
      Keita Hiromori, Nobuo Nakajima, Ayame Shimoyama, Takumi Hasegawa, Shin-ichi Wada, Osamu Takahashi, Kazuhiko Mase, and Kenichi Ozawa
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Correlation between Enhancement Photocatalytic Activity and Band Bending at the Anatase/Rutile Interface2023

    • 著者名/発表者名
      Kenichi Ozawa, Yasuhiro Aiura, Makoto Minohara, Keita Hiromori, Ayame Shimoyama, Nobuo Nakajima, Kazuhiko Mase
    • 学会等名
      MRM2023/IUMRS-ICA2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 顕微分光測定を用いたアナターゼ/ルチルヘテロ界面のバンドベンディングと光触媒活性の評価2023

    • 著者名/発表者名
      廣森慧太、下山 絢女、中島伸夫、長谷川巧、間瀬一彦、小澤健一
    • 学会等名
      第36回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] SrTiO3薄膜の歪み誘起分極の電場応答2023

    • 著者名/発表者名
      猫本勇輝、中島伸夫、加藤盛也、上條快、安井伸太郎、足立純一、丹羽尉博、仁谷浩明
    • 学会等名
      第36回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 圧電体Ba(Ti1-xSnx)O3のSn置換効果の研究2023

    • 著者名/発表者名
      坂野碩保、中島伸夫、柿原瑛樹、符 徳勝
    • 学会等名
      第36回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] X線吸収分光法と逆モンテカルロ法による強誘電体BaTiO3の電場下構造解析2023

    • 著者名/発表者名
      加藤盛也、中島伸夫、大沢仁志、加藤和男、伊奈稔哲、Anspoks Andris
    • 学会等名
      第36回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 顕微X線光電子分光によるPd-Rh合金の内殻準位の組成依存性2023

    • 著者名/発表者名
      下山絢女、中島伸夫、廣森慧太、石松直樹、間瀬一彦、小澤健一
    • 学会等名
      第36回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Aサイト秩序型ペロブスカイトCaCu3Ti4O12の電子構造の温度依存性2023

    • 著者名/発表者名
      手塚泰久、島村仁章、任皓駿、渡辺孝夫、野澤俊介、中島伸夫、岩住俊明
    • 学会等名
      第36回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] X線吸収分光法を用いたAlFeO3薄膜の抵抗スイッチング特性の研究2023

    • 著者名/発表者名
      遠藤優理、加藤盛也、中島伸夫、Rao Badari、安井伸太郎、大沢仁志、河村直己
    • 学会等名
      第36回日本放射光学会・放射光科学合同シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Ba(Ti1-xSnx)O3セラミックスの圧電特性向上に対する Sn置換効果2023

    • 著者名/発表者名
      中島伸夫、坂野碩保、手塚泰久、符徳勝
    • 学会等名
      2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 顕微分光測定を用いたアナターゼ/ルチル界面の 光触媒活性と電子構造の評価2023

    • 著者名/発表者名
      廣森慧太、中島伸夫、下山 絢女、長谷川巧、和田真一、高橋修、間瀬一彦、小澤健一
    • 学会等名
      2022年度量子ビームサイエンスフェスタ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Aサイト秩序型ペロブスカイトCaCu3Ti4O12の電子構造の温度依存性2022

    • 著者名/発表者名
      手塚泰久、島村仁章、任皓駿、渡辺孝夫、野澤俊介、中島伸夫、岩住俊明
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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