スピン・分極空間創発による複合酸化物の電気・磁気・光機能開拓

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23246113
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 伊藤 満 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (30151541)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 機能創発 / 誘電性 / 磁性 / 蛍光特性 / 薄膜

研究概要

本年度は、(1)ペロブスカイト薄膜の成長と構造、誘電特性(2)遷移金属ドープBaTiO3薄膜の強磁性の確認(3)遷移金属・希土類ドープ複合酸化物薄膜の発光特性(4)全酸化物EL・LED発光デバイスの構造最適化を計画に従って進行させた。（1）に関しては、BaTiO3薄膜を方位の異なるSrTiO3基板上に成膜し、(100)と(110)上で成長した薄膜の構造を詳細に検討した。(100)基板上では単ドメインのBaTiO3膜が成長し、Tcが800K程度であることを確認し、(110)基板上ではTcが500K程度であり、これらの差が、基板の原子配列の差に起因する応力の次元の差に起因することを確認した。また、準安定相物質であるGaFeO3型のAlFeO3薄膜を世界ではじめて安定化し、本物質の強誘電性をPFM を用いて確認した。なお、得られた薄膜の結果を、固相反応法で得られる、セラミックスの結果と比較し、非平衡真空プロセスであるPLD法で得られた薄膜の構造とそれに関連する物性の特異性を評価した。(2)に関しては、CoをドープしたBaTiO3ナノ粒子を溶液法で作製し、加熱温度変化に伴う磁性と構造の変化を対応させて議論した。その結果、Co-ドープBaTiO3で発現する強磁性は、加熱過程で生成・消滅する酸素空孔と水酸基OH-と密接な関連があり、Co-ドープBaTiO3における強磁性は、Aサイト空孔、酸素空孔、水酸基OH-を媒介とするCoイオン間の相互作用が支配することを確認した。また、この結果を、第1原理計算で妥当性を確認した。(3)に関しては前年に引き続いてK2NiF4型の発光体を探索し、赤と緑の発光体を得ることに成功した。(4)に関してはin situアニール用のPLD基板加熱装置を設計・作製し、基板-ターゲット間距離を25mm程度まで縮めることで、より多彩な材料と電極の堆積を可能とした。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究では、当初想定した新物質探索が、極めて順調に進展しており、特に、非中心対称の準安定相(GaFeO3型、LiNbO3型）を薄膜で安定化することが極めて意義深い。これまで、準安定相の安定化はこれまで、急冷、超高圧法を用いて行われてきたが、本研究では、基板と膜との化学親和性、原子配列、格子サイズを制御することで20GPaに相当する準安定状態を薄膜単結晶で得ることができることを確認した。また、新しいマルチフェロイックも得ることができた。さらに、4配位系強誘電体の設計指針を構築することが出来た。これまで、4配位系の強誘電体の可能性について、ほとんど議論されてこなかったが、本研究では、第1原理計算も併用して、極めて明確な設計指針を構築中であり、次世代につながる、物質研究が拓ける可能性がある。

今後の研究の推進方策

今後とも、(1)から(4)まで精力的に研究を進める。現在までのところ、予想通りの結果が得られているので、さらに、予想を覆すような研究を鋭意進行させる予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Structural Modification and Domain Structure in a BaTiO3 Film on (110) SrTiO3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Takao Sshimizu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 6 ページ: 015803 1-3
  • DOI: 10.7567/APEX.6.015803
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparative Study of Phase Transition in BaTiO3 Thin Film Grown on (001)- and (110)-Oriented SrTiO3 Substrate (2013)
  • 著者名/発表者名: Takao Sshimizu
  • 雑誌名: Journal of Physics: Condensed Matter 巻: 25 ページ: 132001 1-5
  • DOI: doi:10.1088/0953-8984/25/13/132001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Collapse of Magnetic Order of the Quasi One-Dimensional Ising-Like Antiferromagnet BaCo2V2O8 in Transverse Fields (2013)
  • 著者名/発表者名: Shojiro Kimura
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 82 ページ: 033706 1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.82.033706
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric Field Driven Variation in Magnetoresistance of Co/Cu/Fe/BaTiO3 Heterostructure (2013)
  • 著者名/発表者名: Hidekazu Kojima
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 113 ページ: 17C713 1-3
  • DOI: 10.1063/1.4795819
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fractal Dynamics in a Single Crystal of a Relaxor Ferroelectric (2012)
  • 著者名/発表者名: Akitoshi Koreeda, Hiroki Taniguchi, Seishiro Saikan, and Mitsuru Itoh
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: vol.109 ページ: 197601 1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.197601
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-throughput CW-IR Laser Deposition and Laser Microscope Imaging of Binary Ionic Liquids in Vacuum (2012)
  • 著者名/発表者名: Shingo Maruyama, Hiroki Taniguchi, Yoko Takeyama, Mitsuru Itoh
  • 雑誌名: Science and Technology of Advanced Materials 巻: vol.12 ページ: 054204 1-4
  • DOI: 10.1088/1468-6996/12/5/054204
  • 査読あり
• [雑誌論文] Defect Controlled Room Temperature Ferromagnetism in Co-doped Barium Titanate Nanocrystals (2012)
  • 著者名/発表者名: Sugata Ray, Yury V. Kolen'ko, Kirill A.Kovnir, Oleg I. Lebedev, Stuart Turner, Tanushree Chakraborty, Rolf Erni, Tomoaki Watanabe, Gustaaf Van Tendeloo, Masahiro Yoshimura, and Mitsuru Itoh
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: vol.23 ページ: 025702 1-10
  • DOI: 10.1088/0957-4484/23/2/025702
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain-induced Reversible and Irreversible Magnetization Switching in Fe/BaTiO3 Heterostructures (2012)
  • 著者名/発表者名: G. Venkataiah
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 033921 1-5
  • DOI: 10.1063/1.3684695
  • 査読あり
• [雑誌論文] Origin of the Dielectric Response in Ba0.767Ca0.233TiO3 (2012)
  • 著者名/発表者名: Takao Shimizu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 100 ページ: 102908 1-4
  • DOI: 10.1063/1.3693524
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoinduced Phase Transition in Pr0:5Ca0:5CoO3 Studied by Sequential Pulse Excitations (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Seko
  • 雑誌名: Acta Physica Polonica A 巻: 121 ページ: 369-371
  • DOI: PACS: 78.66.-w, 78.47.jg
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Ca-Substitution on CdTiO3 Studied by Raman Scattering and First Principles (2012)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Taniguchi
  • 雑誌名: Ferroelectrics 巻: 426 ページ: 268-273
  • DOI: DOI: 10.1080/00150193.2012.672035
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improved Multiferroic Properties in Sm-doped BiFeO3 Thin Films Deposited using Chemical Solution Deposition Method (2012)
  • 著者名/発表者名: S. K. Singh
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 111 ページ: 102801 1-4
  • DOI: 10.1063/1.4714650
  • 査読あり
• [雑誌論文] 51V NMR Study of Antiferromagnetic State and Spin Dynamics in Quasi-one-dimensional BaCo2V2O8 (2012)
  • 著者名/発表者名: Yukiichi Ideta
  • 雑誌名: Physical Review B, 巻: 094433 1-5 ページ: 094433 1-5
  • DOI: DOI: 10.1103/PhysRevB.86.094433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of KH2PO4 Single Crystal with an Artificial Isotope Gradient (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Osada
  • 雑誌名: Ferroelectrics 巻: 440 ページ: 25-30
  • DOI: DOI: 10.1080/00150193.2012.743786
  • 査読あり
• [学会発表] 鉄・アルミ系複酸化物準安定相薄膜の作製と磁性・強誘電性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 満
  • 学会等名: 日本化学会第93回春季年会
  • 発表場所: 立命館大学びわこ・くさつキャンパス（滋賀県）
  • 年月日: 20130322-20130325
• [学会発表] Epitaxial Stabilization of a GaFeO3-type AlFeO3(001) Thin Film on a SrTiO3(111) Substrate (2012)
  • 著者名/発表者名: Y.Hamasaki
  • 学会等名: 2012 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 20121125-20121130
• [学会発表] Ca2Fe2-xAlxO5結晶におけるフェムト秒時間分解反射分光 (2012)
  • 著者名/発表者名: 関 新之介
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大学（神奈川県）
  • 年月日: 20120918-20120921
• [学会発表] Growth and Properties of Metastable Lithium Niobate-type Oxide Thin Films (2012)
  • 著者名/発表者名: Y.Hamasaki
  • 学会等名: International Conference of Young Researchers on Advanced Materials
  • 発表場所: Singapore, Singapore
  • 年月日: 20120701-20120706
• [学会発表] Substrate Dependent Preferential Orientaion of GdFeO3-type CaIrO3 Epitaxial Film (2012)
  • 著者名/発表者名: Y.Hamasaki
  • 学会等名: The 6th International Conference on the Science and Technology for Advanced Ceramics
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 20120626-20120628
• [図書] Advances in Ferroelectrics (2012)
  • 著者名/発表者名: Desheng Fu
  • 総ページ数: 51-67
  • 出版者: Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) Relaxor: Dipole Glass or Nano-Domain Ferroelectric?(分担)
• [図書] Advances in Ferroelectrics (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Taniguchi
  • 総ページ数: 279-294
  • 出版者: Raman Scattering Study on the Phase Transition Dynamics of Ferroelectric Oxides (分担)
• [備考] http://www.msl.titech.ac.jp/~itohlab
• [産業財産権] 酸化物ペロブスカイト薄膜EL素子 (2012)
  • 発明者名: 高島 浩, 稲熊 宜之, 三浦 登, 植田 和茂, 伊藤 満
  • 権利者名: 高島 浩, 稲熊 宜之, 三浦 登, 植田 和茂, 伊藤 満
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 5093694
  • 出願年月日: 2012-09-28
  • 取得年月日: 2012-09-28
• [産業財産権] Perovskite Oxide Thin Film EL Element (2012)
  • 発明者名: Hiroshi Takashima, Mitsuru Itoh
  • 権利者名: Hiroshi Takashima, Mitsuru Itoh
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: US 8,193,704 B2
  • 出願年月日: 2012-06-05
  • 取得年月日: 2012-06-05
  • 外国