GaFeO3型酸化物薄膜を基にした室温マルチフェロイック材料の探索

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06794
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 片山 司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任助教 (50784617)
• 研究期間 (年度): 2016-08-26 – 2018-03-31
• キーワード: マルチフェロイック / 酸化物薄膜 / 強磁性 / 強誘電性

研究実績の概要

大きな電気磁気効果を示すマルチフェロイック材料は基礎研究のみならず、省電力デバイスなどの応用の観点からも重要である。しかし現在、室温動作可能なマルチフェロイック材料は非常に限られており、新たな材料開発が求められてた。そこで本研究では室温で強誘電性とフェリ磁性を示すGaFeO3型酸化物薄膜に注目し、室温での大きな電気磁気効果発現と室温マルチフェロイック材料創出を目指した。GaFeO3型酸化物薄膜はリーク電流が大きいという課題があったが、申請者はこれを解決するためにSc置換を行った。その結果、GaFeO3型酸化物薄膜のリーク電流の大幅に減少と、それに伴いリーク電流成分の少ない強誘電ヒステリシスループを得ることに成功した。一方、磁気特性も元素置換により幅広く制御できることを見出した。(保磁力 = 1-8 kOe、飽和磁化 = 0.2-0.6 μB/f.u. at 300 K)。これらの磁気特性パラメータの値はBiFeO3マルチフェロイック材料とは大きく異なる。また元素置換により磁気転移点を制御することも可能であり、磁気転移温度を室温に近づけることで、室温付近での大きな磁気誘電効果を得ることに成功した。さらに、Fe3+サイトに磁性元素であるCr3+を置換しても、GaFeO3型酸化物の強誘電特性があまり変化しないことを見出した。これは従来のGaFeO3型酸化物の分極反転メカニズムと相反する挙動であり、真の分極反転メカニズムの解明に繋がる結果を得た。

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

• [雑誌論文] Ferroelectric and magnetic properties in room-temperature multiferroic GaxFe2-xO3 epitaxial thin films (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, S. Yasui, Y. Hamasaki, T. Shiraishi, A. Akama, T. Kiguchi, and M. Itoh
  • 雑誌名: Adv. Funct. Mater. 巻: 28 ページ: 1704789
  • DOI: 10.1002/adfm.201704789
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferrimagnetism and ferroelectricity in Cr-substituted GaFeO3 epitaxial films (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, S. Yasui, T. Osakabe, Y. Hamasaki, and M. Itoh
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 30 ページ: 1436 1441
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferromagnetism with strong magnetocrystalline anisotropy in A-site ordered perovskite YBaCo2O6 epitaxial thin film prepared via wet-chemical topotactic oxidation (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, A. Chikamatsu, Y. Hirose, M. Minohara, H. Kumigashira, I. Harayama, D. Sekiba, and T. Hasegawa
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. C 巻: 6 ページ: 3445-3450
  • DOI: 10.1039/C7TC05422J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible changes in resistance of perovskite nickelate NdNiO3 thin films induced by fluorine substitution (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Onozuka, A. Chikamatsu, T. Katayama, Y. Hirose, I. Harayama, D. Sekiba, E. Ikenaga, M. Minohara, H. Kumigashira, and T. Hasegawa
  • 雑誌名: ACS Appl. Mater. Interfaces 巻: 9 ページ: 10882-10887
  • DOI: 10.1021/acsami.7b00855
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical tuning of room-temperature ferrimagnetism and ferroelectricity in ε-Fe2O3-type multiferroic oxide thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, S. Yasui, Y. Hamasaki, T. Osakabe, and M. Itoh
  • 雑誌名: J. Mater. Chem. C 巻: 5 ページ: 12597-12601
  • DOI: 10.1039/C7TC04363E
  • 査読あり
• [雑誌論文] Topotactic fluorination of perovskite strontium ruthenate thin films using polyvinylidene fluoride (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Kawahara, A. Chikamatsu, T. Katayama, T. Onozuka, D. Ogawa, K. Morikawa, E. Ikenaga, Y. Hirose, I. Harayama, D. Sekiba, T. Fukumura, and T. Hasegawa
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 19 ページ: 313-317
  • DOI: 10.1039/C6CE02358D
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles calculations on the crystal/electronic structure and phase stability of H-doped SrFeO2 (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kurauchi, H. Kamisaka, T. Katayama, A. Chikamatsu, T. Hasegawa
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 121 ページ: 7478-7484
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b12863
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of crystal-domain orientation in multiferroic Ga0.6Fe1.4O3 epitaxial thin films (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, S. Yasui, Y. Hamasaki, and M. Itoh
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 110 ページ: 212905
  • DOI: 10.1063/1.4984211
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epitaxial thin film growth of garnet-, GdFeO 3 -, and YMnO 3 -type LuFeO 3 using pulsed laser deposition (2017)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tsukasa、Hamasaki Yosuke、Yasui Shintaro、Miyahara Akiko、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 642 ページ: 41-44
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2017.09.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric Transport Characteristics of Gallium Iron Oxide Epitaxial Thin Film (2017)
  • 著者名/発表者名: Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Hamasaki Yosuke、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: MRS Adv. 巻: 2 ページ: 3459-3464
  • DOI: 10.1557/adv.2017.370
  • 査読あり
• [学会発表] Experimental and Theoretical Investigation of Electronic Structure of SrFeO3-xFx Epitaxial Thin Films Prepared via Topotactic Reaction (2017)
  • 著者名/発表者名: 片山 司
  • 学会等名: 2017秋季応用物理学会
  • 招待講演