低次元ナノ構造が拓く新奇強誘電特性とその力学的制御

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23686023
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 機械材料・材料力学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 嶋田 隆広 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20534259)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 低次元構造体 / 強誘電体 / ナノスケール / マルチフィジックス特性 / 第一原理解析

研究概要

本研究では、並列計算による大規模量子力学解析により、ナノスケールかつ低次元周期性を有する構造体中の特異な強誘電特性を解析した。ナノ薄膜、ワイヤ、チューブ、ドットに代表されるナノ構造体中では、いずれもマクロな材料中とは全く異なる新奇な渦状強誘電分極が現れることを示した。また、その性質はナノ構造体の形状に強く依存することを明らかにした。さらに、この新奇強誘電分極とひずみとの相互作用（マルチフィジックス特性）について解析を行った。負荷に対して、新奇特性の有無や性能、また渦の数などが変化することを示した。すなわち、顕著なマルチフィジックス特性を有することが明らかになった。

研究成果

• [雑誌論文] Chiral selectivity of unusual helimagnetic transition in iron nanotubes : Chirality makes quantum helimagnets (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Junichi Okuno, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: Vol. 13 ページ: 2792- 2797
  • DOI: 10.1021/nl401047z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hybrid Hartree-Fock density functional study of charged point defects in ferroelectric PbTiO3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Taku Ueda, Jie Wang, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: Vol. 87 ページ: Article number 174111
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.174111
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of grain orientation distribution in the ferroelectric and ferroelastic domain switching of ferroelectric polycrystals (2013)
  • 著者名/発表者名: Jie Wang, Weilin Shu, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura, Tong-Yi Zhang
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: Vol. 61 ページ: 6037-6049
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2013.06.044
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusual domain evolution in semiconducting ferroelectrics : A phase field study (2013)
  • 著者名/発表者名: Jie Wang, Zheng Chen, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: Vol. 377 ページ: 1643-1648
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2013.04.044
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ferroelectricity at a junction structure of a 180°domain wall and a (001) surface in PbTiO3 : A density functional theory study (2013)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang, Shogo Tomoda, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Physica B 巻: Vol. 410 ページ: 22-27
  • DOI: 10.1016/j.physb.2012.10.034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multi-physics analysis of nano-structured ferroelectrics by first-principles simulations (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Xiaoyuan Wang, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Acta Mechanica 巻: Vol. 224 ページ: 1261-1270
  • DOI: 10.1007/s00707-013-0873-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct approach for flexoelectricity from first-principles calculations : cases for SrTiO3 and BaTiO3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Tao Xu, Jie Wang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Journal of Physics : Condensed Matter 巻: Vol. 25 ページ: Article number 415901
  • DOI: 10.1088/0953-8984/25/41/415901
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of strain on the evolution of magnetic multi-vortices in ferromagnetic nano-platelets (2013)
  • 著者名/発表者名: Jie Wang, Jianwei Zhang, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Journal of Physics : Condensed Matter 巻: Vol. 25 ページ: Article number 226002
  • DOI: 10.1088/0953-8984/25/22/226002
  • 査読あり
• [雑誌論文] マルチフェロイクスBiFeO3の強誘電性-強磁性間相互作用に関する第一原理解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 有末紘,嶋田隆広,北村隆行
  • 雑誌名: 材料 巻: 63巻 ページ: 168-173
  • DOI: 10.2472/jsms.63.168
  • 査読あり
• [雑誌論文] Absence of ferroelectric critical size in ultrathin PbTiO3 nanotubes : A density-functional theory study (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Xiaoyuan Wang, Yoshiaki Kondo, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: Vol. 108 ページ: Article number 067601
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.067601
  • 査読あり
• [雑誌論文] Emergence of ferro- magnetism at a vacancy on a non-magnetic ferroelectric PbTiO3 surface : A first- principles study (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Yoshitaka Uratani, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: Vol. 60 ページ: 6322-6330
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2012.08.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacancy-driven ferromagnetism in ferroelectric PbTiO3 (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Yoshitaka Uratani, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: Vol. 100 ページ: Article number 162901
  • DOI: 10.1063/1.4704362
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio study of spin-spiral noncollinear magnetism in a free-standing Fe(110) monolayer under in-plane strain (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Junichi Okuno, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: Vol. 85 ページ: Article number 134440
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.85.134440
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain-induced phase transition in multiferroic BiFeO3 (110)c epitaxial film (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Kou Arisue, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: Vol. 376 ページ: 3368-3371
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2012.08.056
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles study of nanometer-sharp domain walls in ferromagnetic Fe monolayers under in-plane strain (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Junichi Okuno, Yoshiyuki Ishii, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Journal of Physics : Condensed Matter 巻: Vol. 24 ページ: Article number 095303
  • DOI: 10.1088/0953-8984/24/9/095303
• [雑誌論文] Local suppression of ferroelectricity at PbTiO3 surface steps : A density functional theory study (2012)
  • 著者名/発表者名: Xiaoyuan Wang, Shogo Tomoda, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Journal of Physics : Condensed Matter 巻: Vol. 24 ページ: Article number 045903
  • DOI: 10.1088/0953-8984/24/4/045903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coexistence of rectilinear and vortex polarizations at twist boundaries in ferroelectric PbTiO3 from first principles (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Xiaoyuan Wang, Shogo Tomoda, Pavel Marton, Christian Elsässer, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: Vol. 83 ページ: Article number 094121
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.83.094121)
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles study of the interplay between grain boundaries and domain walls in ferroelectric PbTiO3 (2011)
  • 著者名/発表者名: Pavel Marton, Takahiro Shimada, Takayuki Kitamura, Christian Elsässer
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: Vol. 83 ページ: Article number 064110
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.83.064110
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ab initio study of ferromagnetism in edged iron nanowires under axial tension (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada, Yoshiyuki Ishii, Takayuki Kitamura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: Vol. 84 ページ: Article number 174405
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.84.174405
  • 査読あり
• [学会発表] Origin of ferromagnetism and magnetoelectric coupling in deficient ferroelectric nanostructures (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: 2013 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2013-12-02
• [学会発表] Chiral selectivity of noncolliner spin-spiral magnetic wave excitation in iron single-wall nanotubes (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: 2013 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2013-12-02
• [学会発表] Origin of dilute ferromagnetism in deficient PbTiO3: A hybrid Hartree-Fock density-functional study (2013)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: International Symposium on Atomistic Modeling for Mechanics and Multiphysics of Materials (ISAM4 2013)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2013-07-22
• [学会発表] First-principles DFT+U calculations of multiferroicity in BiFeO3 (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: 4th International Conference on Computational Methods (ICCM2012)
  • 発表場所: Gold Coast, Australia
  • 年月日: 2012-11-27
• [学会発表] First-principles study of vacancy-induced ferromagnetism at non-magnetic ferroelectric PbTiO3 (001) surfaces (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies–International Conference on Electronic Materials 2012 (IUMRS-ICEM2012)
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 2012-09-26
• [学会発表] Noncollinear magnetic spin-spiral wave excitation in epitaxial Fe(110) monolayer from first-principles (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies–International Conference on Electronic Materials 2012 (IUMRS-ICEM2012)
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 2012-09-24
• [学会発表] Improper ferroelectricity in ultrathin PbTiO3 nanotubes (2011)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Shimada
  • 学会等名: 2011 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2011-11-28
• [図書] Fracture Nanomechanics (2011)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kitamura, Hiroyuki Hirakata, Takashi Sumigawa, Takahiro Shimada
  • 総ページ数: 297
  • 出版者: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd.
• [備考]
  • URL: http://cyber.kues.kyoto-u.ac.jp/
• [備考]
  • URL: http://kyouindb.iimc.kyoto-u.ac.jp/j/gT3rQ