| 研究課題/領域番号 |
19K04411
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| 研究機関 | 城西大学 |
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研究代表者 |
ティティ レイ 城西大学, 理学部, 教授 (60807915)
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| 研究分担者 |
森田 剛 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (60344735)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 非線形機械定数 / KNbO3/LiTaO3 / KNbO3/LiNbO3 / PZT圧電材料 / 非鉛強誘電体材料 / 超音波アシスト水熱合成法 / 発電デバイス / 環境・医療センサー |
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| 研究実績の概要 |
本研究は独自に開発した「超音波アシスト水熱合成法」の超音波出力や照射周波数を最適化し50μm以上の膜厚を持つ圧電厚膜を制作し、共振デバイスとしての観点から厚膜の性能向上を行い、エネルギー変換論に立脚した最適設計指針を確立することで、革新的な圧電発電デバイスを目指す。すなわち、開発した圧電厚膜材料を単に導入するだけでなく、本質的な設計指針を確立することで、新しい圧電発電デバイスとして医療・環境への応用展開を目標として研究を行っている。
今年度は圧電膜のデバイスとしての応用観点から材料設計シミュレーションを行った。シミュレーション結果から単結晶基板上の圧電膜の電気機械結合係数及び圧電定数の性能向上には、ある一定の膜厚が必要であることが明らかとなった。シミュレーション結果を考案してLiTaO3単結晶を基板として非鉛圧電膜としてKNbO3薄膜、比較対象としてPZT薄膜を水熱方法を用いて制作した。得られた圧電膜の性質を透過型電子顕微鏡、X線構造解析により評価し、電気機械結合定数、機械的品質係数,圧電定数、光学性質の評価などを行った。
今年度は昨年試験的行った薄膜生成技術を確立させ結晶性の良い非鉛圧電薄膜の生成に成功し、薄膜の圧電特性及び光学的性質の評価も可能となった。また、シミュレーションを行ったことにより圧電膜の性能の膜厚依存性も予測可能となり今後デバイスとして応用を考える際重要な指針となる。今後デパイス実装を設計し必要な機器の整備、将来持続可能なエネルギ―変換デパイスの実現に向けて関連分野の研究情報収取も行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
今年度は非鉛材料の薄膜の製作技術の確立と目標とする発電デバイスの環境・医療センサーへの応用に必要とする材料設計の指針を得るためにFemtet第一原理計算ソフトによりシミュレーションも実験と並行して行った。シミュレーション結果を考案し実験で生成された非鉛KNbO3圧電膜及びPZT圧電膜の性質及び圧電機能、光学的性質を評価することが出来た。
当初、計画された膜厚の増強のために導入予定の超音波アシスト機器の準備に遅れが生じているために目標とする厚みの膜の生成まで至ってないものの制作された圧電膜の評価結果などから水熱方法でも反応時間や反応液の濃度を最適することで性質の良い膜の生成に有効であることが分かった。来年度はシミュレーションも継続して行い様々な非鉛単結晶材料を基板として非鉛圧電薄膜の生成技術の確立と圧電膜の性能評価技術を確立してデパイスの実装を可能とする。得られた薄膜生成技術とデパスとしての性能評価技術を装置改良にフィードバックして応用デパイスの実現に力を入れる予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
2020年度は水熱方法による圧電膜の生成技術を確立し、制作された薄膜の性質評価と圧電膜としての電気機械結合定数、圧電定数の性能、光学的性能の評価が可能となった。また、第一原理計算シミュレーションにより圧電膜の性能の膜厚依存性も予測可能となり今後デバイスとして応用を考える際重要な指針となった。
来年度は超音波アシスト機器の導入し膜厚の増強と実現させ、シミュレーションも継続して行うことによって非鉛圧電薄膜の生成技術の確立と圧電膜の性能評価の計測技術を確立する。得られた薄膜生成技術とデパスとしての性能評価技術を装置改良にフィードバックし応用デバイスの実装を実現する計画である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
昨年度はコロナの影響もあり物品及び旅費、実験費が予定より縮小されたため。
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