窒素含有融液を用いた酸窒化物の緻密化及び電気物性評価技術の確立

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19J10301
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 細野 新 北海道大学, 総合化学院, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2021-03-31
• キーワード: 酸窒化物 / 焼結 / 単結晶 / 強誘電体 / 圧電応答顕微鏡 / 第一原理計算 / 熱分析

研究実績の概要

ペロブスカイト型構造の酸窒化物BaTaO2Nは酸化物イオンと窒化物イオンの非対称な分布により自発分極をもつ強誘電体であると過去の研究で予想されてきたが、高密度なセラミックスや単結晶の作製が極めて困難であるために強誘電性の有無等の本質的な物性は不明であった。筆者はBaCN2という物質が種々の酸窒化物の溶媒として有用であり、数ミクロンサイズのBaTaO2Nの単結晶を作製できることを発見した。本年度は作製したBaTaO2Nの微結晶の圧電性を圧電応答顕微鏡を用いて評価したところ、100 ℃, 100 Vの条件で明瞭な分極反転を伴うシグナルが得られた。これはペロブスカイト型酸窒化物が強誘電性を示すことを実証する、信頼性の高い結果であり、アニオンの非対称な分布により強誘電性を物質に導入できることを意味する。この知見は、将来の誘電体材料の設計指針の確立に貢献すると期待される。
筆者は上記の研究と並行して一連のアルカリ土類金属カルボジイミドの熱分析実験を行い、融点がCaCN2>SrCN2>BaCN2の順の高さであることを明らかにした。さらにBaCN2以外は融液が金属と炭化物、窒素に分解することを確認した。これらの分解反応のギブスエネルギーを第一原理計算による結晶構造の最適化とフォノンシミュレーションから求めたところ、BaCN2だけは実測された融点よりも高温まで分解反応が進行しないことが分かった。この原因として、BaCN2は他の二者よりも格子エンタルピーが小さいために十分に融点が低く、融液が分解しにくいためであると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] RWTH Aachen University(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: RWTH Aachen University
• [雑誌論文] Spark plasma sintering of dielectric BaTaO2N close to the melting point of the BaCN2 additive (2020)
  • 著者名/発表者名: Hosono Akira、Inoguchi Masashi、Masubuchi Yuji、Murayama Koji、Iha Michiaki、Higuchi Mikio、Kikkawa Shinichi
  • 雑誌名: Journal of the European Ceramic Society 巻: 40 ページ: 2317～2322
  • DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.02.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation and morphological change of BaTaO2N perovskite from BaCN2/Ta2O5 mixture (2020)
  • 著者名/発表者名: Hosono Akira、Masubuchi Yuji、Koyama Kyohei、Higuchi Mikio、Kikkawa Shinichi
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 836 ページ: 155459～155459
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155459
  • 査読あり
• [雑誌論文] Melting Behavior of Alkaline-Earth Metal Carbodiimides and Their Thermochemistry from First-Principles (2019)
  • 著者名/発表者名: Hosono Akira、Stoffel Ralf Peter、Masubuchi Yuji、Dronskowski Richard、Kikkawa Shinichi
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 ページ: 8938～8942
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b01462
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ferroelectric BaTaO2N Crystals Grown in a BaCN2 Flux (2019)
  • 著者名/発表者名: Hosono Akira、Masubuchi Yuji、Yasui Shintaro、Takesada Masaki、Endo Takashi、Higuchi Mikio、Itoh Mitsuru、Kikkawa Shinichi
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 58 ページ: 16752～16760
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b02917
  • 査読あり
• [学会発表] ペロブスカイト型酸窒化物強誘電体BaTaO2N微結晶の作製 (2020)
  • 著者名/発表者名: 細野新、鱒渕友治、安井伸太郎、武貞正樹、樋口幹雄、伊藤満、吉川信一
  • 学会等名: 応用物理学会2020年春季学術講演会
• [学会発表] 強誘電体微結晶BaTaO2Nペロブスカイトの合成 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鱒渕友治、細野新、樋口幹雄、吉川信一
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] Spark Plasma Sintering of Dielectric BaTaO2N Using Molten BaCN2 Additive (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Hosono, Masashi Inoguchi, Yuji Masubuchi, Koji Murayama, Michiaki Iha, Mikio Higuchi, Shinichi Kikkawa
  • 学会等名: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • 国際学会
• [備考] 新たな強誘電性を微細な酸窒化物単結晶を用いて実証～新規強誘電体材料の開発に期待～
  • URL: https://www.hokudai.ac.jp/introduction/2019/12/post-606.html
• [産業財産権] 焼結体及びその製造方法並びに誘電体組成物 (2019)
  • 発明者名: 鱒渕友治、細野新、吉川信一、猪口真志
  • 権利者名: 鱒渕友治、細野新、吉川信一、猪口真志
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-166041