巨大機能物性セラミックスの設計と創製

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10895015
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 桑原 誠 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (40039136)
• 研究分担者: 宮山 勝 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (20134497) ; 山下 仁大 東京医科歯科大学, 医用器材研究所, 教授 (70174670) ; 河本 邦仁 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30133094) ; 永井 正幸 武蔵工業大学, 工学部, 教授 (80112481) ; 高田 雅介 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (20107551)
• キーワード: 巨大機能物性 / 界面・粒界 / 層状構造 / 量子サイズ構造 / メソ構造 / 巨大化学反応場 / 巨大熱電変換 / 巨大ピエゾ抵抗効果

研究概要

本企画調査研究は、ZnOセラミックスのバリスタ特性やBaTiO_3半導体セラミックスに見られる正の抵抗温度係数(PTCR)特性のような、巨大な機能物性の発現様式の類型化と機構の解明を基に、新規な巨大物性を発現するセラミックスの設計と創製を目的として、下記の4つのグループに分けて遂行された。以下に得られた成果の一部を記す。
1) 巨大機能物性の発現機構調査: ビスマス層状構造強誘電体(例えば、PbBi_4Ti_4O_<15>)における巨大異方性電子物性の発現機構に関する研究と調査から、高導電性ペロブスカイト層と強誘電性ペロブス力イト層が交互に積層した層状構造を持つ材料の設計が可能で、そのような材料に巨大な異方性を示す強誘電・圧電体材料の創製が可能であることを示した。
2) 巨大機能物性発現機構の設計: イオン伝導体に分散剤として絶縁体を添加するとその導電性が増大することが知られていたが、絶縁体マトリックス(例えば、Al_2O_3)にイオン伝導体(例えば、AgI)を複合させたときも同様の効果が見られることを明らかにし、巨大イオン伝導性を発現する三次元集積メソ材料の構造設計を行った。また、特定構造材料の高速創製を可能とする局所ポテンシャルを利用した巨大化学反応場という全く新しい設計概念を提案した。
3) 界面誘起巨大機能物性調査: 高温超伝導体RBa_2CU_3O_<7-δ>(R=希土類元素)セラミックス線材に通電すると、線材上の一点が赤熱するホットスポット現象を見出した。この現象は試料抵抗の酸素分圧依存性と密接に関係しており、この現象の発現に関連した巨大かつ特異な非線形電流-電圧が粒子界面(表面)誘起型の物性であることを明らかにした。
4) 巨大機能物性の創製と応用調査: 直径10-20μmのBaTiO_3半導体セラミックス細線に形成された単一粒界が、室温でゲージファクタ>10_7の巨大なピエゾ抵抗効果を示すことを見出した。この巨大なピエゾ抵抗効果を用いた超高感度圧力センサの開発の可能性を示した。

研究成果

• [文献書誌] H.Matsuda,K.Hamamoto,M.Kuwabara: "Stress Induced Resistivity Anomaly in Semiconducting BaTiO_3 Ceramic Wire" J.Am.Ceramic.Soc.81・1. 229-232 (1998)
• [文献書誌] I.Yi,M.Miyayama: "Electrical Properties of Layer-Structured Pb_2Bi_4Ti_5O_<18> Single Crystals" J.Ceram.Soc.Jpn.106・3. 285-289 (1998)
• [文献書誌] M.Nagai,T.Nishino: "Fabrication and Evaluation of Composite Ionic Conductors by Use of Concentration and Temperature Gradient" J.Mater.Synthesis and Processing. 6. 197- (1998)
• [文献書誌] J.Hamagami,D.Kokubu,T.Umegaki,K.Yamashita: "Influence of Crystal Growth on Sputtered Films of Hydroxyapatite onto Titanium" Bioceramics. 11. 219-222 (1998)
• [文献書誌] M.Kazaoka,H.Hiramatsu,W.S.Seo,K.Koumoto: "Improvement in Thermoelectric Properties of (ZnO)_5In_2O_3 through Partial Substitution of Yttrium for Indium" J.Mater.Res.13. 523-526 (1998)
• [文献書誌] M.Takata,Y.Noguchi,Y.Kurihara,et al.: "Novel Oxygen Sensor Using Hot-Spot on Ceramic Rod" Bull.Mater.Sci.(in press). (1999)