ナノ構造メタ界面の力学・マルチフィジックス特性設計

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H05241
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 北村 隆行 京都大学, 情報学研究科, 名誉教授 (20169882)
• 研究分担者: 澄川 貴志 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (80403989) ; 嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 教授 (20534259)
• 研究期間 (年度): 2018-06-11 – 2023-03-31
• キーワード: ナノ構造 / メタ界面 / 力学 / マルチフィジックス / 設計

研究実績の概要

令和4年度の研究実績は、以下のように纏めることができる。１．機能性メタ界面を実現するために、チタン酸バリウム（BaTiO3）ナノ要素を対象とし、透過型電子顕微鏡（TEM）の内部でその場観察を行いながら負荷試験を実施した。ナノ要素の内部には、材料表面の影響を受けた特徴的な分極のドメイン構造が存在した。この実験では、ナノ要素が有するflexoelectricityに着目した。試験体に対して正負が異なる曲げ変形を加えた結果、ナノ要素内のドメイン構造が繰り返し変化し、負荷によるスイッチングを実現できることを明らかにした。すなわち、このナノ要素の機能を利用し、メタ界面に適切な設計を施して外部から力学的な負荷を与えることで、電気的なメモリ機能を示すメタ界面の実現が可能であることを示した。２. 圧電応答顕微鏡を導入し、その内部で供試材に負荷を与えながら強誘電性や磁気特性を計測することのできるマルチフィジックス負荷装置の製作を行った。独自設計した軽量且つ小容量の四点曲げ試験治具を設計・作製し、さらにBaTiO3中の強誘電性の観測を行うことに成功した。３．Phase-field有限要素解析技術を磁性体に適用できるよう拡張し、強誘電体PbTiO3と磁性体MnSiのナノ複合メタ界面構造の評価を行った。ナノ複合メタ構造では、強誘電性と磁性という互いに異なる物理特性間に顕著なカップリング効果が現れることを見い出し、磁場によって強誘電分極を、電場によって磁気秩序を、相補的に制御できることを示した。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4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] ハルピン工業大学/浙江大学/中国科学院(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: ハルピン工業大学/浙江大学/中国科学院
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] ノルウェー科学技術大学(ノルウェー)
  • 国名: ノルウェー
  • 外国機関名: ノルウェー科学技術大学
• [国際共同研究] ハノイ工科大学(ベトナム)
  • 国名: ベトナム
  • 外国機関名: ハノイ工科大学
• [雑誌論文] Formation and switching of chiral magnetic field textures in three-dimensional gyroid nanostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Lich Le Van、Hue Dang Thi Hong、Giang Do Thi Huong、Duc Nguyen Huu、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Dinh Van-Hai
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 249 ページ: 118802～118802
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2023.118802
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Exponential Temperature Effects on Skyrmion-Skyrmion Interaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Yu、Wang Jie、Kitamura Takayuki、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 18 ページ: 044024
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.044024
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A novel atomic J-integral concept beyond conventional fracture mechanics (2022)
  • 著者名/発表者名: Jia Pengfei、Huang Kai、Yu Hongjun、Shimada Takahiro、Guo Licheng、Kitamura Takayuki
  • 雑誌名: Theoretical and Applied Fracture Mechanics 巻: 121 ページ: 103531～103531
  • DOI: 10.1016/j.tafmec.2022.103531
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effective modeling of magnitude-fluctuated magnetization dynamics: Dynamic precursor effect in magnets (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Yu、Wang Jie、Kitamura Takayuki、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 106 ページ: 094423
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.106.094423
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanical Acceleration and Control of the Thermal Motion of a Magnetic Skyrmion (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Yu、Kitamura Takayuki、Wang Jie、Hirakata Hiroyuki、Shimada Takahiro
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 18 ページ: 014049
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.014049
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultrasmall-Scale Brittle Fracture Initiated from a Dislocation in SrTiO3 (2022)
  • 著者名/発表者名: Sumigawa Takashi、Shimada Takahiro、Huang Kai、Mizuno Yuki、Hagiwara Yohei、Ozaki Naoki、Kitamura Takayuki
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 22 ページ: 2077～2084
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Atomistic investigation on the conversion of plastic work to heat in high-rate shear deformation (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiong Qi-lin、Li Zhenhuan、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
  • 雑誌名: International Journal of Plasticity 巻: 149 ページ: 103158～103158
  • DOI: 10.1016/j.ijplas.2021.103158
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Thermomechanical conversion in high-rate plastic deformation of nanotwinned polycrystalline copper (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiong Qi-lin、Li Zhenhuan、Huang Xicheng、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
  • 雑誌名: Journal of Thermal Stresses 巻: 45 ページ: 65～80
  • DOI: 10.1080/01495739.2021.2000343
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A unified atomic energy release rate criterion for nonlinear brittle fracture in graphene nanoribbons (2022)
  • 著者名/発表者名: Jia Pengfei、Huang Kai、Sumigawa Takashi、Shimada Takahiro、Guo Licheng、Kitamura Takayuki
  • 雑誌名: International Journal of Solids and Structures 巻: 234-235 ページ: 111260～111260
  • DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2021.111260
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Observation of fatigue dislocation structure in micro-sized Ni single crystal specimen (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Sumigawa
  • 学会等名: 2023 International Joint Symposium on Convergence Technology of Mechanical Engineering
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 材料力学の学術的拡がりと未来 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北村隆行
  • 学会等名: 日本溶接協会 特別シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] In Situ Observation of Fracture Dominated by a Single Dislocation and its Governing Mechanics (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Sumigawa
  • 学会等名: MS&T22 Technical meeting and Exhibition
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental Investigation of the Fatigue Behavior of Three-dimensionally Small Micro-sized Metals (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Sumigawa
  • 学会等名: MATERIALS STRUCTURE & MICROMECHANICS OF FRACTURE (MSMF10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Characteristic Fatigue of Micro-Sized Single Crystal Copper (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Sumigawa
  • 学会等名: International Conference on Materials and Reliability (ICMR2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 疲労した金属の転位組織形成メカニズム解明への数理的アプローチ (2022)
  • 著者名/発表者名: 飛世昂大
  • 学会等名: 日本材料学会第7回マルチスケール材料力学シンポジウム
• [学会発表] 曲げ負荷を受けるBaTiO3ナノ単結晶のドメイン構造変化の観 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高木敏行
  • 学会等名: 日本材料学会第8回材料WEEK
• [学会発表] 単一すべり方位を有するナノNi単結晶のTEM内引張圧縮負荷挙動観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 石坂大和
  • 学会等名: 日本材料学会第8回材料WEEK
• [学会発表] 引張圧縮負荷を受けるマイクロNi単結晶の疲労転位組織形成過程観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 穴田悠樹
  • 学会等名: 日本材料学会第8回材料WEEK
• [学会発表] VO2単結晶ナノ薄膜のモット転移に関する面内単軸ひずみ感受性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 角田純平
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M 2022 材料力学カンファレンス
• [学会発表] マイクロ金属の疲労転位組織形成パターンに関する数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 飛世昂大
  • 学会等名: 日本機械学会 M&M 2022 材料力学カンファレンス
• [備考] 京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻材料物性学研究室
  • URL: https://material.me.kyoto-u.ac.jp/
• [備考] 京都大学大学院 エネルギー科学研究科 エネルギー材料設計研究室ホームページ
  • URL: https://www.force.energy.kyoto-u.ac.jp/