新しい相転移研究法"Milli-Kelvin-セルで見る相転移"の開発とその応用

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550016
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 吉村 幸雄 立命館大学, 理工学部, 教授 (10066699)
• 研究分担者: 東崎 健一 千葉大学, 教育学部, 教授 (30102031) ; 小島 彬 滋賀県立大学, 工学部, 助教授 (00205379) ; 岩崎 博 立命館大学, 理工学部, 教授 (50005857)
• キーワード: Milli-Kelvin-温度制御セル / 熱流-誘電率同時測定 / X線回折実験 / 熱流-変位電流同時測定 / 超音波共鳴実験 / BaTiO_3単結晶 / CsPbCl_3単結晶 / SrTiO_3単結晶

研究概要

本研究組織が開発した"Milli-Kelvin-温度制御セル"を使って誘電体結晶の相転移機構の解明を行なうとともに、研究を通して"Milli-Kelvin-温度制御セル"の応用を広げる開発を行なった。"Milli-Kelvin-温度制御セル"の利用温度範囲を450K-85Kに広げられたことは、本年度の大きな研究成果で、これから我々が行なう相転移研究に幅をもたらせた。本年度の素晴らしい研究成果は、BaTiO_3結晶が示す三つの相転移(高温相-室温相-低温相-最低温相)に関して行った物性測定と構造変化の両研究から得られた相転移機構に関する結果で、相転移の本質を明らかにするものであった。本研究で注意したことは用いたBaTiO_3単結晶についてで、結晶は不純物を含まないトップ・シード法で育成されたものを使用し、ポーリング等外力により結晶構造に外乱を与えていない。熱流測定と同時に行なう誘電率、熱膨張、変位電流、超音波共鳴実験などの物性測定から、BaTiO_3結晶の三つの相転移はそれぞれ異なった相転移機構をもっていることが明らかにされた。特に超音波共鳴実験の結果は、高温相と最低温相の超音波共鳴スペクトルがシンプルであるのに対し、室温相と低温相の共鳴スペクトルは異常な複雑さを示した。このことは高温相と最低温相の結晶構造がシンプルであるのに対し、室温相と低温相の結晶構造が複雑であることを暗示していた。一方、本研究組織は物性研究と独立にX線回折による結晶構造変化から相転移を研究していて、その結果は、立方晶相-正方晶相と単斜晶相Iのhybrid構造-斜方晶相Iと単斜晶相IIのhybrid構造-斜方晶相と各相転移により構造を変えていることが分かった。この結果は物性測定から得られた結果を分析する上で重要であると共に、超音波共鳴実験から予想された結果と非常に良く一致していた。2003年度の研究成果は論文、国際学会、国内学会で発表した。

研究成果

• [文献書誌] A.Kojima, Y.Kawakatsu, H.Sasou, Y.Yoshimura H.Iwasaki, K.Tozaki: "Novel Feature of the Phase Transitions in BaTiO_3 Revealed by "mK-Stabilized Cell""Ferroelectrics. Vol.284. 93-106 (2003)
• [文献書誌] A.Kojima, Y.Nishibori, Y.Maeda, N.Inoue, Y.Yoshimura, N.Tokunaga, H.Iwasaki, K.Tozaki: "Heat Flow and X-ray Diffraction Study on the Phase Transitions in CsPbCl_3"Ferroelectrics. Vol.284. 113-120 (2003)
• [文献書誌] A.Kojima, Y.Yoshimura, H.Sasou, N.Tokunaga, H.Iwasaki, K.Tozaki: "New Finding of Phase Transition Feature in BaTiO_3"proceedings of The 10^<th> European Meeting on Ferroelectricity, Aug.3-8, 2003 Cambridge, UK. (2003)
• [文献書誌] K.Tozaki, R.Masida, S.Masuda, H.Hayashi, H.Inaba: "Simultaneous measurements of heat flux and thermal expansion on hyperfine multistage transitions of single crystal BaTiO_3"Physica B. B334. 382-389 (2003)
• [文献書誌] A.Kojima, Y.Yoshimura, H.Iwasaki, K.Tozaki: "Temperature : Its Measurement and Control in Science and Industry"American Institute of Physics. (2003)