“基板のクランプ効果による可逆配向スイッチング機構”を用いた巨大圧電体膜の創成

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H04121
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 舟窪 浩 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (90219080)
• 研究分担者: 清水 荘雄 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (60707587)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 誘電体 / 圧電MEMS / 非鉛圧電体

研究実績の概要

本研究の目的は、研究代表者が見出した“基板のクランプ効果により可逆応答する配向スイッチング機構”を用いて、巨大圧電特性を有する膜を創成することである。
変位を阻害するため、否定的に捉えられてきた圧電体膜基板の“クランプ効果”を“配向をスイッチバックさせるための推進機構”として積極活用する。従来、圧電特性発現には電界に対しての結晶相の不安定性を利用した“相境界組成”が不可欠とされてきたが、これを用いることなく大きな圧電特性の発現を目指す。 さらに、これまで“相境界組成”は鉛元素なしでは作製できないと考えられており、圧電体の非鉛化は困難とされてきたが、新機構の導入により非鉛圧電体膜を実現する。本年度は以下の成果を得た。
1) 製膜時にPb(Zr,Ti)O3膜に引っ張り歪が存在する場合は、最初に面内に分極したドメインが形成され、その後に上向きの分極が形成されるため、この２つの構造が組み合わさった非常に複雑なドメイン構造になりやすい。この構造が大きなドメインスイッチングと圧電性を生む可能性があることがあきらかになった。
2) 非鉛圧電体として(Bi1/2K1/2)TiO3および(Bi1/2Na1/2)TiO3-BatiO3膜の作製を行い、正方晶の膜が作製できることを明らかにした。特に(Bi1/2Na1/2)TiO3-BatiO3膜では、分極が面何と面外に向いたドメインが共存した膜の作製の可能性が示唆された。この成果は、非鉛圧電体膜においても、ドメインスイッチングによる大きな圧電性発現を示唆している。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Nebraska/Carnegie Institution for Science/University of Pennsylvania(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Nebraska/Carnegie Institution for Science/University of Pennsylvania
• [国際共同研究] スイス連邦工科大学ローザンヌ校 (EPFL)(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: スイス連邦工科大学ローザンヌ校 (EPFL)
• [国際共同研究] University of New South Wales(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: University of New South Wales
• [雑誌論文] Asymmetry in mechanical polarization switching (2017)
  • 著者名/発表者名: Haidong Lu, Shi Liu, Ziyu Ye, Shintaro Yasui, Hiroshi Funakubo, Andrew M. Rappe, and Alexei Gruverman
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 ページ: 222903-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4983381
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Orientation change with substrate type and composition in (100)/(001)-oriented epitaxial tetragonal Pb(Zrx Ti1-x)O3 films (2017)
  • 著者名/発表者名: Daichi Ichinose, Takaaki Nakashima, Yoshitaka Ehara, Takahiro Oikawa, Takao Shimizu, Osami Sakata, Tomoaki Yamada, and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 125 [6] ページ: 458-462
  • DOI: 10.2109/jcersj2.125.P6-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Charge screening strategy for domain pattern control in nano-scale ferroelectric systems (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Yamada, Daisuke Ito, Tomas Sluka, Osami Sakata, Hidenori Tanaka, Hiroshi Funakubo, Takahiro Namazu, Naoki Wakiya, Masahito Yoshino, Takanori Nagasaki, and Nava Setter
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 5236-1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-017-05475-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Electric-field-induced lattice distortion in epitaxial BiFeO3 thin films as determined by in situ time-resolved x-ray diffraction (2017)
  • 著者名/発表者名: Seiji Nakashima, Osami Sakata, Hiroshi Funakubo, Takao Shimizu, Daichi Ichinose, Kota Takayama, Yasuhiko Imai, Hironori Fujisawa, and Masaru Shimizu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 111 ページ: 082907-1-5
  • DOI: 10.1063/1.5000495
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-situ observation of ultrafast 90° domain switching under application of an electric field in (100)/(001)-oriented tetragonal epitaxial Pb(Zr0.4Ti0.6)O3 thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Ehara, Shintaro Yasui, Takahiro Oikawa, Takahisa Shiraishi, Takao Shimizu, Hiroki Tanaka, Noriyuki Kanenko, Ronald Maran, Tomoaki Yamada, Yasuhiko Imai, Osami Sakata, Nagarajan Valanoor, and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 ページ: 9641-1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-017-09389-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fabrication and characterization of {110}-oriented Pb(Zr,Ti)O3 thin films on Pt/SiO2/Si substrates using PdO//Pd buffer layer (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoya Oshima, Kiyoshi Uchiyama, Yoshitaka Ehara, Takahiro Oikawa, Daichi Ichinose, Hiroki Tanaka, Tomoya Sato, Hiroshi Uchida, and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 10PF09-1-4
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.10PF09
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polarization switching behavior of one-axis-oriented lead zirconate titanate films fabricated on metal oxide nanosheet layer (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Uchida, Daichi Ichinose, Takahisa Shiraishi, Hiromi Shima, Takanori Kiguchi, Akihiko Akama, Ken Nishida, Toyohiko J. Konno, and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 10PF10-1-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.10PF10
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-plane orientation and composition dependences of crystal structure and electrical properties of {100}-oriented Pb(Zr,Ti)O3 films grown on (100) Si substrates by metal organic chemical vapor deposition (2017)
  • 著者名/発表者名: Shoji Okamoto, P. S. Sankara Rama Krishnan, Satoshi Okamoto, Shintaro Yokoyama, Kensuke Akiyama, and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 ページ: 10PF12-1-5
  • DOI: 10.7567/JJAP.56.10PF12
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of Internal Strains of (110)-One-Axis-Oriented (Ba0.5Sr0.5)TiO3 (BST) Thin Films on Their Dielectric Behaviors (2017)
  • 著者名/発表者名: Naoya Oshima, Kiyoshi Uchiyama, Yoshitaka Ehara, Takahiro Oikawa, Hiroki Tanaka, Tomoya Sato, Hiroshi Uchida, Tomoaki Yamada, and Hiroshi Funakubo
  • 雑誌名: Science of Advanced Materials 巻: 9 ページ: 1806-1809
  • DOI: 10.1166/sam.2017.2808
  • 査読あり
• [学会発表] PLD法を用いた(Bi, Na)TiO3-BaTiO3系薄膜の作製と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長谷川光勇、清水荘雄、佐藤祐介、山岡和希子、内田寛、舟窪浩
  • 学会等名: 第56回セラミックス基礎科学討論会
• [学会発表] PLD法を用いた(Bi,Na)TiO3-BaTiO3系薄膜の作製と評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長谷川光勇、清水荘雄、佐藤祐介、山岡和希子、石田未来、内田寛、舟窪浩
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Domain Structure propagation of tensile-strained {100}-oriented epitaxial tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 films (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Funakubo, Daichi Ichinose, Tomoya Sato, Takao Shimizu, Osami Sakata, and Tomoaki Yamada
  • 学会等名: PACRIM 12 (12th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology)
  • 国際学会
• [学会発表] A Proposal of New Buffer Layer for Depositing (110)-oriented Perovskite Thin Films on (111)Pt/SiO2/Si Substrates (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Uchiyama, T. Sato, A. Akama, T. Kiguchi, T.J. Konno, N. Oshima, D. Ichinose, and H. Funakubo
  • 学会等名: 2017 Joint IEEE ISAF-IWATMD-PFM Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 強誘電体エピタキシャル薄膜の界面構造 (2017)
  • 著者名/発表者名: 木口賢紀、範滄宇、白石貴久、舟窪浩、今野豊彦
  • 学会等名: 第73回日本顕微鏡学会学術講演会
• [学会発表] PdO//Pdバッファ層を用いた｛110｝配向Pb(Zr,Ti)O3薄膜の作製とその物性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 内山潔、大島直也、江原祥隆、及川貴弘、一ノ瀬大地、田中宏樹、佐藤智也、内田寛、舟窪浩
  • 学会等名: 第34回強誘電体応用会議（FMA34）
• [学会発表] Domain structure change by applying electric field of dominantly in-plane-polarized Pb(Zr,Ti)O3 thin film (2017)
  • 著者名/発表者名: Daichi Ichinose, Yoshitaka Ehara, Takao Shimizu, Osami Sakata, Tomoaki Yamada, Alexei. Gruverman, and Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: STAC-10 (The Tenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics)
  • 国際学会
• [学会発表] Time Response of Crystal Structure in Tetragonal Pb(Zr,Ti)O3 Films Under an Applied Electric Field (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomoya Sato, Daichi Ichinose, Naoya Oshima, Takanori Mimura, Yuichi Nemoto, Takao Shimizu, Yasuhiko Imai, Hiroshi Uchida, Osami Sakata, and Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: STAC-10 (The Tenth International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics)
  • 国際学会
• [学会発表] エピタキシャルBiFeO3薄膜における電場印加下の格子歪 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中嶋誠二、藤沢浩訓、坂田修身、舟窪浩、清水莊雄、一ノ瀬大地、今井康彦、清水勝
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] エピタキシャルPZT膜におけるマルチドメイン構造と面内歪の緩和 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤智也、一ノ瀬大地、三村和仙、清水荘雄、山田智明、舟窪浩
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Domain structure change by applying electric field of dominantly in-plane-polarized (100)/(001)-oriented tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 thin film (2017)
  • 著者名/発表者名: Daichi Ichinose, Yoshitaka Ehara, Takao Shimizu, Osami Sakata, Tomoaki Yamada, and Hiroshi Funakubo
  • 学会等名: 18th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Materials
  • 国際学会
• [備考] 東京工業大学 物質理工学院 材料系材料コース 舟窪研究室
  • URL: http://f-lab.iem.titech.ac.jp/f-lab.htm
• [産業財産権] 圧電薄膜、圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置 (2018)
  • 発明者名: 佐藤祐介 佐藤和希子 石田未来 舟窪浩 長谷川光勇 清水荘雄
  • 権利者名: 佐藤祐介 佐藤和希子 石田未来 舟窪浩 長谷川光勇 清水荘雄
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-001161
• [産業財産権] 圧電薄膜、圧電薄膜素子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、ハードディスクドライブ、プリンタヘッド、及びインクジェットプリンタ装置 (2017)
  • 発明者名: 佐藤祐介 森下純平 佐藤和希子 舟窪浩 清水荘雄 根本祐一
  • 権利者名: 佐藤祐介 森下純平 佐藤和希子 舟窪浩 清水荘雄 根本祐一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2017-206190