強誘電体の電気特性の発現機構の基礎的解明

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12134208
• 研究機関: 愛知淑徳大学
• 研究代表者: 石橋 善弘 愛知淑徳大学, コミュニケーション学部, 教授 (00023052)
• 研究分担者: 渡部 行男 九州大学, 理学研究院, 教授 (40274550)
• キーワード: 強誘電体 / 薄膜 / リラクサー / 表面 / 光起電力 / 分域壁 / 遷移金属酸化物 / ナノ

研究概要

応用上重要視されているリラクサー強誘電体をミクロにみた場合、分極方位の異なる領域がランダムに接して存在する。従って、それらの間の柑互作用は個々に検討する必要があるが、分極変調が縦波型、従って反電場の考慮が不可欠な典型的なケースとして、90度分域壁を考察し、理論を発表した。実際に多くの薄膜で90度分域壁が観測されており、この理論の応用範囲は広く、現在歪みの効果を取り入れて理論の拡張を試みている。
また、ナノスケールの強誘電体表面の理論の基礎検討を行った。これにより、様々な条件下で表面電子系が発生する可能性が分かった。これを支持する電気伝導特性を、単結晶と薄膜で検討した。この現象の理解のため、実験を続行中である。また、強誘電体が本質的に半導体的な特性を示す証拠として、極低温の光起電力等の測定を行った(投稿中)。本研究の遂行には、微細加工技術が重要であるが、この技術で特に有用であるイオンビームエッチングの検討を行い、損傷を少なくし且つエッチング効率を高める一般的な実験結果と理論を提出した。BaTiO_3表面電子系の確認では、低温での実験では従来の結果以上のものは得られなかったが、室温からキュリー点の温度範囲の準超高真空中の表面電気伝導に、特異な温度特性が見出された。さらに、室温大気中の原子力間顕微鏡(AFM)測定では、1格子の原子ステップ像に重畳して、蛇行ストライプパターンが発見された。考察と計算の結果、表面電子系の静電遮蔽効果により可視化された180°ドメインであること結論し、原子分解能をもつ新しいドメイン検出法を提案できることが分かった。また、表面伝導に関連して新しい正温度係数抵抗変化異常(PTCR効果)と思える現象が発見された。

研究成果

• [文献書誌] Y.Ishibashi: "Theory of the Morphotropic Phase Boundary"Ferroelectrics. 267. 191-199 (2002)
• [文献書誌] Y.Ishibashi, H.Orihara, D.R.Tilley: "Thickness Transitions of Ferroelectricity in Thin Films"J. Phys. Soc. Jpn.. 71(6). 1471-1474 (2002)
• [文献書誌] Y.Ishibashi, M.Iwata: "On an Isomorphous Transition II"J. Phys. Soc. Jpn.. 71(10). 2576-2577 (2002)
• [文献書誌] Y.Ishibashi, E.Salje: "Theory of Ferroelectric 90° Domain Wall"J. Phys. Soc. Jpn.. 71(11). 2800-2803 (2002)
• [文献書誌] Y.Watanabe, A.Masuda: "Nano-scale theory of Ferroelectric Surface Predicting skin-deep Quantized 2D Electron Gas"Ferroelectrics. 267. 379-384 (2002)
• [文献書誌] 渡部行男: "ナノ強誘電体のサイズ効果とは何か?"固体物理. 38(2). 1-14 (2003)