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2017 年度 実績報告書

ペロブスカイト原子膜の物性制御と高機能誘電体デバイスへの応用

研究課題

研究課題/領域番号 17H03395
研究機関名古屋大学

研究代表者

長田 実  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (10312258)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードペロブスカイト / ナノシート / 原子層エンジニアリング / 誘電体デバイス
研究実績の概要

次世代誘電体デバイスの開発を目指した新たな試みとして、層状化合物の単層剥離により得られる酸化物原子膜「酸化物ナノシート」に注目し、0.5~3 nmの臨界薄膜での誘電・強誘電物性の検証とともに、原子層エンジニアリングによる高機能誘電体デバイスの開発を行う。本年度は、高誘電性ナノシートの特異物性の解明と新規高誘電・強誘電性ナノシートの開発を行った。
巨大誘電特性、サイズ効果フリー機能など特異物性を有するペロブスカイトナノシートをモデルケースに、ナノ領域で実現する特異物性の機構解明を進めた。この目的のために、ペロブスカイト1格子単位(~0.4 nm)で厚みを精密に制御したペロブスカイトナノシート (Ca2Nan-3NbnO3n+1; n = 3 -6)を合成し、走査型プローブ顕微鏡により0.5~3 nmの臨界膜厚での誘電・強誘電物性の検証を行った。その結果、ペロブスカイトナノシートでは、従来材料(BaTiO3, PZT)で臨界膜厚とされる~1.5 nm(3格子)以下でも誘電・強誘電物性が維持されることを確認した。
さらに、誘電体デバイス応用に好適な、高い誘電率と優れた絶縁性を有する新規高誘電・強誘電性ナノシートの探索を行った。研究代表者がこれまで開発したペロブスカイトナノシート(Ca2-xSrxNb3O10, εr = 210 ~ 240)に対して、第一原理計算に基づく材料設計により元素置換や分極構造の最適化を行い、誘電特性の更なる向上やバンドオフセット制御による絶縁性、耐電圧特性(> 4MV/cm)の制御を試みた。その結果、高誘電率化には八面体層数の制御やBi, Tiの置換が有効となること、特にCa2Nan-3NbnO3n+1、Bi置換Ca2-xSrxNb3O10では400以上の高い誘電率が実現し、Ca2Na2Nb5O16では強誘電体特性が発現することを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初計画していたナノシートの基礎物性解明、新規誘電体、強誘電体ナノシートの開発を達成するとともに、翌年度予定していた原子層エンジニアリング技術についても前倒し的に進めた。強誘電体ナノシートの高電界ドーピングなど、当初予期していない新展開も見られており、当初の計画以上に進展している。

今後の研究の推進方策

研究代表者は、H29年度途中(平成30年1月)、物質・材料研究機構 (NIMS)から名古屋大学未来材料・システム研究所に異動した。装置移設も2月中に終了し、本研究の遂行も問題ない状況にある。一部NIMSで利用していた装置(熱分析装置)が名大で利用できないなど不便があるが、予算使用項目を一部変更し、必要装置の導入を進め、研究を加速する予定にある。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 2件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 10件、 招待講演 13件)

  • [国際共同研究] 国立台湾大学(台湾)

    • 国名
      その他の国・地域
    • 外国機関名
      国立台湾大学
  • [国際共同研究] シンガポール国立大学/シンガポール工科デザイン大学(シンガポール)

    • 国名
      シンガポール
    • 外国機関名
      シンガポール国立大学/シンガポール工科デザイン大学
  • [国際共同研究] ソウル国立大学/梨花女子大学/韓国科学院(韓国)

    • 国名
      韓国
    • 外国機関名
      ソウル国立大学/梨花女子大学/韓国科学院
    • 他の機関数
      3
  • [雑誌論文] Nanoarchitectonics in Dielectric/Ferroelectric Layered Perovskites: From Bulk 3D Systems to 2D Nanosheets2018

    • 著者名/発表者名
      M. Osada, T. Sasaki
    • 雑誌名

      Dalton Trans.

      巻: 47 ページ: 2841-2851

    • DOI

      10.1039/C7DT03719H

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Self‐sensitization and Photo‐Polymerization of Diacetylene Molecules Self‐Assembled on a Hexagonal‐Boron Nitride Nanosheet2018

    • 著者名/発表者名
      E. Verveniotis, Y. Okawa, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Taniguchi, M. Osada, C. Joachim, M. Aono
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 10 ページ: 206-1-9

    • DOI

      10.3390/polym10020206

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Self-Assembly Atomic Stacking Transport Layer of Two-Dimensional Titania for Perovskite Solar Cells2018

    • 著者名/発表者名
      T. P. Chen, C.-W. Lin, S.-S. Li, Y.-H. Tsai, C.-Y. Wen, W. Lin, F.-M. Hsiao, Y.-P. Chiu, K. Tsukagoshi, M. Osada, T. Sasaki, C.-W. Chen
    • 雑誌名

      Adv. Energy Mater.

      巻: 8 ページ: 1701722-1-6

    • DOI

      10.1002/aenm.201701722

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Layer-by-Layer Engineering of Two-Dimensional Perovskite Nanosheets for Tailored Microwave Dielectrics2017

    • 著者名/発表者名
      M. S. Khan, H-J. Kim, T. Taniguchi, Y. Ebina, T. Sasaki, M. Osada
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Exp.

      巻: 10 ページ: 091501-1-3

    • DOI

      10.7567/APEX.10.091501

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Atomic Layer Engineering of High-k Ferroelectricity in 2D Perovskites2017

    • 著者名/発表者名
      B. W. Li, M. Osada, Y-H. Kim, Y. Ebina, K. Akatsuka, T. Sasaki
    • 雑誌名

      J. Am. Chem. Soc.

      巻: 139 ページ: 10868-10874

    • DOI

      10.1021/jacs.7b05665

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Neat Monolayer Tiling of Molecularly Thin Two-Dimensional Materials in One Minute2017

    • 著者名/発表者名
      K. Matsuba, C. X. Wang, K. Saruwatari, Y. Uesusuki, K. Akatsuka, M. Osada, Y. Ebina, R. Ma, T. Sasaki
    • 雑誌名

      Science Advance

      巻: 3 ページ: e1700414-1-9

    • DOI

      10.1126/sciadv.1700414

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Molecularly-Thin Anatase Field-Effect Transistors Fabricated through the Solid-State Transformation of Titania Nanosheets2017

    • 著者名/発表者名
      S. Sekizaki, M. Osada, K. Nagashio
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 9 ページ: 6471-6477

    • DOI

      10.1039/C7NR01305A

    • 査読あり
  • [学会発表] Electronic Devices Based on 2D Oxides2018

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      2nd Nippon-Taiwan Workshop on Innovation of Emergent Materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 2D Nanohybrids towards New Electronics2018

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      2018 CICS International Symposium on Inorganic Nanostructures and Nanohybrids
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ナノテクが拓く新しいセラミックス技術2018

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 学会等名
      日本セラミックス協会東海支部講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Atomic Layer Engineering of 2D Perovskites2017

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      International Conference on Two-Dimensional Layered Materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 2D Oxides: Exploring New Flatland2017

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      2017 NEA Symposium of Emerging Materials Innovation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 2D Oxide Nanosheets: Moving beyond Graphene2017

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      2nd World Congress and Expo on Materials Science & Nanoscience
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 2D Oxide Nanosheets: Exploring New Flatland2017

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      IUMRS-ICAM 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Controlled Doping in 2D Oxide Semiconductors for Tailored Spinelectronic Materials2017

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      29th International Conference on Defects in Semiconductors
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Controlled Molecular Thickness in 2D Mica Nanosheets for Tailored Semiconductors2017

    • 著者名/発表者名
      M. Osada, S-S. Kim, P. Wu, H-W. Kim
    • 学会等名
      International Clay Conference (ICC 16)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Nanosheet Architectonics: Atomic Layer Engineering of Functional Oxides2017

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      19th International Symposium on Intercalation Compounds (ISIC)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-k Ferroelectricity at 2D Limit2017

    • 著者名/発表者名
      M. Osada
    • 学会等名
      3rd Taiwan Consortium of Emergent Crystalline Materials (TCECM 2017)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 溶液法によるセラミックスナノコーティング2017

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 学会等名
      電気学会フレキシブルセラミックスコーティング研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 電気・磁気・光学応用が進むナノシート結晶2017

    • 著者名/発表者名
      長田 実
    • 学会等名
      日本学術振興会 第161委員会第101回研究会
    • 招待講演

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公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-08-05  

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