分極回転：巨大な圧電応答の設計と実現

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H04952
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 北條 元 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 分極回転

研究実績の概要

強誘電体・圧電体は不揮発性メモリやアクチュエーターなど様々な用途で実用化され、我々の生活を支えている。代表的な材料はペロブスカイト型酸化物PbZrO3とPbTiO3の固溶体Pb(Zr,Ti)O3であるがPb（鉛）は環境・人体に有害な元素であるため、世界各国でその規制が進められている。このような状況のもと、非鉛の代替材料の開発が求められている。本研究では「分極回転」を利用することで、巨大な圧電応答を示す非鉛圧電体薄膜を実現することを目的としている。2016年に代表者らが報告した、単斜晶構造を有する(001)配向のBiFe1-xCoxO3薄膜における、分極回転機構により圧電特性が向上するという知見をベースとして、分極回転の効果を最大化するための材料設計を行う。
これまでに(101)配向のBiFe1-xGaxO3薄膜の作製に成功しており、(001)配向の薄膜に比べて、圧電特性が向上することを見出した。今年度は、圧電特性向上の機構解明を目指し、薄膜の結晶構造を詳細に調べた。X線回折による逆格子マップ、および薄膜の断面方向からの透過電子顕微鏡観察により構造解析を行った結果、BiFe1-xGaxO3薄膜は巨大なc/a比の単斜晶構造を有していることが明らかになった。単斜晶構造において配向制御により分極が回転する余地を増やすことで圧電特性が向上することを証明できたことは、分極回転という圧電体の材料設計指針を実証できた点で重要な成果である。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元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] Modulating the Structure and Magnetic Properties of ε-Fe2O3 Nanoparticles via Electrochemical Li+ Insertion (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Yasuhara, Y. Hamasaki, T. Katayama, T. Ao, Y. Inaguma, H. Hojo, M. Karppinen, A. Philip, S. Yasui, M. Itoh
  • 雑誌名: Inorg. Chem. 巻: 59 ページ: 4357-4365
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b03302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sodium titanium oxide bronze nanoparticles synthesized via concurrent reduction and Na+-doping into TiO 2 (B) (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Hasegawa, M. Tanaka, J.J.M. Vequizo, A. Yamakata, H. Hojo, M. Kobayashi, M. Kakihana, M. Inada, H. Akamatsu, K. Hayashi
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 11 ページ: 1442-1450
  • DOI: https://doi.org/10.1039/C8NR08372J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Negative Thermal Expansion Induced by Synergistic Effects of Ferroelectrostriction and Spin Crossover in PbTiO3-Based Perovskites (2019)
  • 著者名/発表者名: Z. Pan, J. Chen, R. Yu, L. Patra, P. Ravindran, A. Sanson, R. Milazzo, A. Carnera, L. Hu, L. Wang, H. Yamamoto, Y. Ren, Q. Huang, Y. Sakai, T. Nishikubo, T. Ogata, X. Fan, Y. Li, G. Li, H. Hojo, M. Azuma, X. Xing
  • 雑誌名: Chem. Mater. 巻: 31 ページ: 1296-1303
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b04266
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced Negative Thermal Expansion Induced by Simultaneous Charge Transfer and Polar-Nonpolar Transitions (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Nishikubo, Y. Sakai, K. Oka, T. Watanuki, A. Machida, M. Mizumaki, K. Maebayashi, T. Imai, T. Ogata, K. Yokoyama, Y. Okimoto, S. Koshihara, H. Hojo, T. Mizokawa, M. Azuma
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 141 ページ: 19397-19403
  • DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.9b10336
  • 査読あり
• [学会発表] ε-Fe2O3ナノ粒子へのLi+挿入とその挿入課程の調査 (2020)
  • 著者名/発表者名: 安原颯、濵嵜容丞、阿尾貴博、稲熊宜之、北條元、安井伸太郎、伊藤満
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Reversible phase transition and irreversible topochemical reaction in a perovskite-type CuNbO3 (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Fukuda, I. Yamada, H. Murata, H. Hojo, K. Tanaka, and K. Fujita
  • 学会等名: The 11th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics（STAC-11）
  • 国際学会
• [学会発表] Polarization rotation as the origin of enhanced piezoelectric response in BiFe1-xCoxO3 and BiFe1-xGaxO3 thin films (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Hojo, K. Shimizu, M. Azuma
  • 学会等名: Asia-Pacific PFM 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetization Reversal by Electric Field at Room Temperature in BiFe0.9Co0.1O3 Epitaxial Thin Film (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Hojo, K. Shimizu, R. Kawabe, H. Yamamoto, H. Shimizu, M. Katsumata, K. Mibu, M. Azuma
  • 学会等名: 26TH INTERNATIONAL WORKSHOP ON OXIDE ELECTRONIcs (iWOE 26)
  • 国際学会
• [学会発表] ε-Fe2O3ナノ粒子へのLi+挿入とその磁気物性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 安原颯、濵嵜容丞、阿尾貴博、北條元、安井伸太郎、伊藤満
  • 学会等名: 強的秩序とその操作に関する研究グループ第9回研究会 （若手夏の学校）
• [学会発表] BiFe1-xCoxO3エピタキシャル薄膜における室温での電場印加磁化反転 (2019)
  • 著者名/発表者名: 北條元、清水啓佑、川邉諒、壬生攻、東正樹
  • 学会等名: 強的秩序とその操作に関する研究グループ第9回研究会 （若手夏の学校）
• [学会発表] 電気化学的手法によりLi挿入したε-Fe2O3ナノ粒子の磁性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 安原颯、濵嵜容丞、阿尾貴博、稲熊宜之、北條元、安井伸太郎、伊藤満
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Co置換によるBiFeO3の圧電・マルチフェロイック特性制御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 北條元、清水啓佑、川邉諒、山本孟、壬生攻、東正樹
  • 学会等名: 強誘電体関連物質の機能発現に関する構造科学の新展開
  • 招待講演