機能化格子欠陥による磁性強誘電原子構造体の創出と力学的機能設計

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02027
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 教授 (20534259)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 格子欠陥 / 強誘電体 / 磁性 / マルチフィジックス特性 / 第一原理解析

研究実績の概要

マルチフェロイクス（磁性強誘電体）は、相反する発現機構を有する磁性と強誘電性の両物性を示す点に特徴があり、これらの特性間における相互作用を利用してナノ電磁気機械システムや記録メディアなどの科学技術基盤を成す材料として注目を集めている。本研究では、材料中に含まれる原子空孔や転位、結晶粒界といった格子欠陥にマルチフェロイック特性が発現し得ることに着目し、格子欠陥に固有の微視的原子・電子構造に依存して発現する磁性強誘電性とその発現機構を解明することを目的とする。
格子欠陥は欠陥固有の原子構造と電子的状態を有するため、外力に対して母材構造とは異なる変形性質を示す点に着目し、SrTiO3中の転位構造に対し、引張り負荷解析を行った。転位芯近傍に変形が集中し、負荷とともに転位上部の結合が徐々に切断され、転位から微小き裂への構造変化が生じることが明らかになった。これに伴い、応力場の指数が変化することを明らかにした。また、本解析と同じ条件でTEM内その場観察試験を実施し、変形や破壊の臨界値（破断ひずみや破断応力）が解析と一致することを示し、本結果の信頼性を実証した。
また、同SrTiO3の転位芯近傍の力学場に着目し、これによって生じる強誘電性・磁性を評価した。転位芯近傍の応力場は刃状、らせん、混合転位で異なり、それぞれ異なる強誘電分極を発現し、かつ、固有のP-Eヒステリシス応答を示すことを示した。特に、混合転位では、電場の印加方向によって、応答が異なり、OR、AND、NOTなどの論理回路として振る舞うことを明らかにした。すなわち、転位芯が論理回路として工学利用できる可能性を示した。
一方、次年度に向けたメカニズム解明のため、現有プログラムを欠陥周囲の物理場が解析できるよう改造を行った。

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

本年度の実施計画は、（１）欠陥固有の変形場の解明、（２）欠陥機能性の解明、（３）メカニズム解明のための物理場評価プログラムの実装、である。研究実績欄に記載のとおり、予定どおり研究が進展している。

今後の研究の推進方策

次年度の実施計画は、（１）欠陥周囲の物理場評価、（２）マルチフェロイックス性発現メカニズムの解明、（３）欠陥の数理モデリング、であり、これを遂行予定である。

研究成果

• [国際共同研究] 浙江大学/中国科学院(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 浙江大学/中国科学院
• [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] 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
• [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] 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] 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] Electrocaloric effect enhancement in compositionally graded ferroelectric thin films driven by a needle-to-vortex domain structure transition (2021)
  • 著者名/発表者名: Van Lich Le、Hou Xu、Phan Manh-Huong、Quoc Bui Tinh、Wang Jie、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Dinh Van-Hai
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 54 ページ: 255307～255307
  • DOI: 10.1088/1361-6463/abf0ed
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shock response and defect evolution of copper single crystals at room and elevated temperatures (2021)
  • 著者名/発表者名: Xiong Qi-Lin、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Li Zhenhuan
  • 雑誌名: Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 巻: 29 ページ: 045006～045006
  • DOI: 10.1088/1361-651x/abea68
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ferroelectric nanoscale logic gates by mixed dislocations in SrTiO3 (2021)
  • 著者名/発表者名: Masuda Kairi、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 104 ページ: 054104-054104
  • DOI: 10.1103/physrevb.104.054104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reversible control of intrinsic shear strength of a ZnO single crystal through electron-beam-induced hole state (2021)
  • 著者名/発表者名: Hirakata Hiroyuki、Sano Kyohei、Shimada Takahiro
  • 雑誌名: Journal of Materials Research 巻: 36 ページ: 4438～4448
  • DOI: 10.1557/s43578-021-00399-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The rectilinear motion of the individual asymmetrical skyrmion driven by temperature gradients (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Yu、Shimada Takahiro、Wang Jie、Kitamura Takayuki、Hirakata Hiroyuki
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 221 ページ: 117383～117383
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117383
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Linear-superelastic Ti-Nb nanocomposite alloys with ultralow modulus via high-throughput phase-field design and machine learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhu Yuquan、Xu Tao、Wei Qinghua、Mai Jiawei、Yang Hongxin、Zhang Huiran、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Zhang Tong-Yi
  • 雑誌名: npj Computational Materials 巻: 7 ページ: 205-205
  • DOI: 10.1038/s41524-021-00674-7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Emergence of non-trivial polar topologies hidden in singular stress field in SrTiO₃: topological strain-field engineering (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimada Takahiro、Wang Yu、Hamaguchi Takayuki、Kasai Kohta、Masuda Kairi、Van Lich Le、Xu Tao、Wang Jie、Hirakata Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 33 ページ: 505301～505301
  • DOI: 10.1088/1361-648x/ac28c1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Abnormal Electromechanical Property of Nonlinearly Graded Lead‐Free Ferroelectric Thin Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Lich Le Van、Bui Tinh Quoc、Shimada Takahiro、Kitamura Takayuki、Hong Hue Dang Thi、Nguyen Trong‐Giang、Dinh Van‐Hai
  • 雑誌名: Advanced Theory and Simulations 巻: 5 ページ: 2100370～2100370
  • DOI: 10.1002/adts.202100370
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Flexoelectric properties of multilayer two-dimensional material MoS₂ (2021)
  • 著者名/発表者名: Hirakata Hiroyuki、Fukuda Yasuyuki、Shimada Takahiro
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 55 ページ: 125302～125302
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ac4367
  • 査読あり
• [学会発表] 電子応力概念の提案と第一原理電子応力解析法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤田涼雅，坂口竣平，嶋田隆広，平方寛之
  • 学会等名: 第6回マルチスケール材料力学シンポジウム
• [学会発表] 特異応力場による強誘電体内の高次トポロジカル秩序群の創出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笠井恒汰，濱口高征，嶋田隆広，平方寛之
  • 学会等名: 第6回マルチスケール材料力学シンポジウム
• [学会発表] SrTiO3表面の電子Polaronによる強誘電Skyrmionの創出とその力学的制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 嶋田隆広，市木佑樹，平方寛之
  • 学会等名: M&M2021材料力学カンファレンス
• [学会発表] 第一原理電子応力解析法の開発と結晶材料への適用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤田涼雅，坂口竣平，嶋田隆広，椎原良典，平方寛之
  • 学会等名: M&M2021材料力学カンファレンス
• [学会発表] 第一原理電子軌道応力解析法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 嶋田隆広，坂口竣平，藤田涼雅，椎原良典，平方寛之
  • 学会等名: 第34回計算力学講演会
• [学会発表] 高次トポロジカルナノ強誘電体の創出：SrTiO3内き裂への負荷に関するPhase-field解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笠井恒汰，濱口高征，嶋田隆広，平方寛之
  • 学会等名: 材料シンポジウム
• [学会発表] Quantum Polar Skyrmions/Merons in Doped SrTiO3 Heterostructures: A Topological Polaron (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Yuuki Ichiki, Tao Xu, Le Van Lich, Jie Wang, Hiroyuki Hirakata
  • 学会等名: 2021 MRS Fall Meeting & Exhibits
• [学会発表] Phase-Field Simulations on Temperature-Related Behaviors of Skyrmions (2021)
  • 著者名/発表者名: Yu Wang, Takahiro Shimada, Shizhe Wu, Yuelin Zhang, Jinxing Zhang, Jie Wang, Hiroyuki Hirakata
  • 学会等名: 2021 MRS Fall Meeting & Exhibits
• [備考] 京都大学・材料物性学研究室
  • URL: https://material.me.kyoto-u.ac.jp/
• [備考] 京都大学・教育研究活動データベース
  • URL: https://kdb.iimc.kyoto-u.ac.jp/profile/ja.6bf4232c357d1db5.html