| 研究課題/領域番号 |
17K18970
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
今野 豊彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90260447)
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| 研究分担者 |
白石 貴久 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (50758399)
木口 賢紀 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (70311660)
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| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| キーワード | 酸化物薄膜 / 強誘電体 / 異相境界 / 相安定性 / 透過電子顕微鏡 |
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| 研究実績の概要 |
酸化物強誘電体材料は、エコーやソナーといった超音波デバイス、記憶媒体であるメモリデバイス、環境振動や熱を利用したエナジーハーベスターといった様々な分野に応用されており、我々の生活に不可欠な材料である。本研究は、酸化物強誘電体の中でも、特異な誘電特性を有したリラクサー強誘電体であるPb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT)に着目し、人工的にPbTiO3固溶量と整合ひずみに起因する内部応力場を制御することで、二つのパラメータが結晶構造の不安定性に与える影響を明らかにし、『固溶量-ひずみ-結晶構造』の関係を解明することを目的に開始した。
本年度はエピタキシャル性を有しながら成長したPb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜に及ぼす応力場の影響をエックス線回折法および収差補正型透過電子顕微鏡を用いて詳細に調査した。本研究においては局所応力場の正確な実験的導出が必須であり、我々は幾何学的位相解析（GPA）を走査型電子顕微鏡像に対して応用することにより、この目的を達成することに成功した。
その結果、モフォロジカル相境界（MPB）が膜が受ける応力場により大きく変化することを確認した。さらに二つの相の間の整合性が保たれるのは歪が一定の割合の範囲内であり、組成の変化に伴う単位胞定数の変化が大きなると、異相間の整合性が失われミスフィット転位により応力場が緩和されることを明らかにした。同時に基板とのミスフィット転位が多層膜を貫通する現象も確認され、応力場が相安定性に効果を及ぼすためには一定の組成範囲があることが判明した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究においては応力場を正確に求めることが必須であり、初年度はそのための実験的手法を確立することが最も重要な課題である。そのためには、(1) 透過電子顕微鏡、特に収差補正透過電子顕微鏡の走査型モード（STEM）によりアーティファクトのない像を得、原子位置を正確に同定すること、(2) 像に内在する周期性の乱れを位相差として抽出し、テンソル量として定量化すること、この二点をクリアしておく必要がある。実験的手法の確立に関するこれらの要因は実際にエピタキシャル成長させて作成した薄膜に対して実証され、研究手段としては順調に進んでいる。
また、酸化物薄膜を作成するという観点からも初年度は一定に進展があった。すなわち、有機金属沈殿法（MOD）によりPb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3薄膜の作成に成功し、また組成を自由に変える技術も確立できた。具体的にはPbTiO3の組成比をゼロから60%程度までに変化させて、スピンコート技術を用いて薄膜を作成することに成功した。さらにその後の熱処理条件（温度および雰囲気）を吟味することにより安定して所望の薄膜を再現性よく作成する技術を確立した。
以上のように当該研究を進めるための技術的事柄はすべて初年度にクリアできたと考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
一般に酸化物を構成する陽イオンが小さくなると、陰イオンである酸素原子の距離が接近すると考えることができる。この効果は外部から応力を印加した場合と同様の方向であり、陰イオンの波動関数の重なりやクーロン反発力等の変化により、熱力学的安定性を同じ方向に変化するものと我々は予想しており、ここに応力場と組成の同等性を見出している。これらの要因は、陰イオンである酸素イオンにとっては小さな陽イオンの量が増えることと、外部から応力をかけることとは同様の構造変化を引き起こす方向に作用ことから、相安定性に対しては圧力の減少と同様の効果を与えると考えられる。
以上の条件のもと、仮想的な状態図を考えることにより、応力の増加とともに正方相が安定化され、相境界は高圧側で正方相、低圧側でロンボヘドラル相がそれぞれ安定化と予想される。
初年度、薄膜の作成とその定量的評価に成功したので、今後はドラスティックに歪み量を変化させるために、PMN-PT薄膜との格子不整合性が異なる単結晶基板上へ超格子薄膜をエピタキシャル成長させることに注力する。基板種としては、格子ミスマッチが大きく異なるLaAlO3、KaTaO3およびDyScO3単結晶を用いて実験する。上記のX線回折測定および電子顕微鏡観察により、基板から受ける応力場が超格子全体の結晶構造に与える影響を調べ、固溶量-ひずみ-結晶構造の状態図を作成する。
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