環境振動を利用した新奇電流駆動型強誘電体発電の可能性とその原理の確立

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18K19126
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 安井 伸太郎 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40616687)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• キーワード: 強誘電体 / 圧電体 / 分極反転 / 発電

研究実績の概要

本研究目的である、分極反転時に発生する電流を動力とする発電機構の開発の一環として、最終年度は組成及び歪み(基板や膜厚によって)をチューニングして、それらの正方晶性(c/a)をコントロールしたBi(Zn1/2Ti1/2)O3を母相にした正方晶ペロブスカイト型酸化物xBi(Zn1/2Ti1/2)O3-yBi(Mg1/2Ti1/2)O3-zBiFeO3においてそれらの分極反転挙動を確認した。分極反転のエネルギーを見積もるために(100)、(110)、(111)方位の単結晶SrTiO3を、電極には同構造のSrRuO3を用いた。各方位に成長したエピタキシャル薄膜は(100)においては正方晶、(110)および(111)では巨大正方晶を含むマルチドメイン構造を有していた。この結果より各方位において分極反転エネルギーは異なる事が予想できるが、実際に測定を行った結果、正方晶組成においては(100)が最も低いエネルギーで反転したが、菱面体晶組成においては(111)が最も低いエネルギーで反転した。分極値を考えると巨大正方晶層は分極反転には寄与していないと考えられる事も分かった。
c/aの最も小さな1.06サンプルにおいて力学的なエネルギーで分極反転が起きるか検証した結果、残念ながら反転は見られなかった。BTO(c/a<1.01)においては反転が確認されているために、c/aが大きすぎた事から与えた力学的なエネルギーが足りていない、言い換えると破壊されるエネルギーよりも小さな力で動作する結晶構造が必要であることが分かった。総括すると、BTOと同等の結晶歪みを有する強誘電体材料は、薄膜が破壊される事ない力学的エネルギーで分極反転が可能であるが、歪みが大きくなるとそれは困難であるといえる。新しい発想の強誘電発電の可能性は十分に期待できるという結果であった。

研究成果

• [国際共同研究] State University of NewYork(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: State University of NewYork
• [国際共同研究] IIT Baranashi(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: IIT Baranashi
• [国際共同研究] Shanghai Institute of Ceramics(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Shanghai Institute of Ceramics
• [雑誌論文] Dielectric response of BaTiO3 electronic states under AC fields via microsecond time-resolved X-ray absorption spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kato S.、Nakajima N.、Yasui S.、Yasuhara S.、Fu D.、Adachi J.、Nitani H.、Takeichi Y.、Anspoks A.
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 207 ページ: 116681～116681
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116681
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Room-Temperature Antiferroelectricity in Multiferroic Hexagonal Rare-Earth Ferrites (2021)
  • 著者名/発表者名: Kasahara Jun、Katayama Tsukasa、Mo Shishin、Chikamatsu Akira、Hamasaki Yosuke、Yasui Shintaro、Itoh Mitsuru、Hasegawa Tetsuya
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 13 ページ: 4230～4235
  • DOI: 10.1021/acsami.0c20924
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Polarization Switching and High-Temperature Magnetoelectric Coupling in Multiferroic GaFeO3 Systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Hui、Zhang Yang、Tachiyama Koki、Xia Zhaoyang、Fang Jinghong、Li Qin、Cheng Guofeng、Shi Yun、Yu Jianding、Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 60 ページ: 225～230
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c02855
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Growth mechanism and domain structure study on epitaxial BiFeO3 film grown on (La0.3Sr0.7)(Al0.65Ta0.35)O3 (2020)
  • 著者名/発表者名: Bae In-Tae、Yasui Shintaro、Ichinose Tomohiro、Itoh Mitsuru、Shiraishi Takahisa、Kiguchi Takanori、Naganuma Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 127 ページ: 245303～245303
  • DOI: 10.1063/5.0005672
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Epitaxial strain engineering of luminescent properties in ZnGa2O4:Mn thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Dazai Takuro、Yasui Shintaro、Taniyama Tomoyasu、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 082004～082004
  • DOI: 10.35848/1882-0786/aba286
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bandgap tuning and optimization of green-emitting Zn2SnO4-Mg2SnO4:Mn2+ using combinatorial pulsed laser deposition (2020)
  • 著者名/発表者名: Dazai Takuro、Yasui Shintaro、Taniyama Tomoyasu、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Ceramics International 巻: 46 ページ: 21771～21774
  • DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.05.288
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cation-Deficiency-Induced Crystal-Site Engineering for ZnGa2O4:Mn2+ Thin Film (2020)
  • 著者名/発表者名: Dazai Takuro、Yasui Shintaro、Taniyama Tomoyasu、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 ページ: 8744～8748
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c00359
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simple Method to Obtain Large‐Size Single‐Crystalline Oxide Sheets (2020)
  • 著者名/発表者名: Gu Ke、Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Chikamatsu Akira、Yasuhara Sou、Itoh Mitsuru、Hasegawa Tetsuya
  • 雑誌名: Advanced Functional Materials 巻: 30 ページ: 2001236～2001236
  • DOI: 10.1002/adfm.202001236
  • 査読あり
• [雑誌論文] Redox-Based Multilevel Resistive Switching in AlFeO3 Thin-Film Heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Rao Badari Narayana、Yasui Shintaro、Han Yefei、Hamasaki Yosuke、Katayama Tsukasa、Shiraishi Takahisa、Kiguchi Takanori、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 2 ページ: 1065～1073
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00083
  • 査読あり
• [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: Yasuhara Sou、Hamasaki Yosuke、Katayama Tsukasa、Ao Takahiro、Inaguma Yoshiyuki、Hojo Hajime、Karppinen Maarit、Philip Anish、Yasui Shintaro、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 ページ: 4357～4365
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b03302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of band edge parameters, Li ion dynamics and excellent electrochemical properties of Li4Ti5O12 anode thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Subash Sruthy、Yasui Shintaro、Yasuhara Sou、Patro L.N.、Bharathi K. Kamala
  • 雑誌名: Electrochimica Acta 巻: 354 ページ: 136741～136741
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136741
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Investigation of ferrimagnetism and ferroelectricity in AlxFe2?xO3 thin films (2020)
  • 著者名/発表者名: Rao Badari Narayana、Yasui Shintaro、Katayama Tsukasa、Taguchi Ayako、Moriwake Hiroki、Hamasaki Yosuke、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 8 ページ: 706～714
  • DOI: 10.1039/C9TC05390E
  • 査読あり
• [雑誌論文] Switchable third ScFeO3 polar ferromagnet with YMnO3-type structure (2020)
  • 著者名/発表者名: Hamasaki Yosuke、Katayama Tsukasa、Yasui Shintaro、Shiraishi Takahisa、Akama Akihiro、Kiguchi Takanori、Taniyama Tomoyasu、Itoh Mitsuru
  • 雑誌名: Journal of Materials Chemistry C 巻: 8 ページ: 4447～4452
  • DOI: 10.1039/C9TC07006K
  • 査読あり
• [備考] 安井研究室website
  • URL: https://shintaroyasui.com/