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2014 年度 実績報告書

内部ポテンシャル変調に着目した強誘電体薄膜リーク機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 24656372
研究機関東北大学

研究代表者

木口 賢紀  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (70311660)

研究分担者 佐藤 和久  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (70314424)
研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2015-03-31
キーワードマルチフェロイック / リラクサー / 強誘電体 / TEM / HAADF-STEM / 波面再構築
研究実績の概要

本研究では、マルチフェロイックであるBiFeO3薄膜を化学溶液体積(CSD)法により成膜した時の異相生成機構について組織的観点から研究を進め、異相の生成抑制条件を検討し、高分解能TEMを活用したリーク機構の解明を目指した。CSD法により膜を積層するごとに窒素雰囲気中550℃で本焼を行ったところ、SrTiO3(001)上にエピタキシャル成長させたBiFe0.97Mn0.03O3単相薄膜(以下BiFeO3相)が得られた。しかし、窒素雰囲気中10分間ポストアニールを行うことで配向性が向上したが、Bi2Fe4O9相が生成し、BiFeO3相に対し特定の配向関係を保って成長した。Bi2Fe4O9相は膜表面近傍で生成しやすく、自形を保って成長することが分かった。これに対し、酸素雰囲気中650℃以上でポストアニールを行うことによって、巨大なBi2Fe4O9相を中心とした島状組織を形成したことから、酸素中ではBiFeO3の分解反応が促進されたことが示唆される。Biが10%過剰の溶液を用いてBiFeO3を成膜することで、Bi2Fe4O9の生成を抑制することができた。この様に、Biリッチ組成で窒素雰囲気ポストアニールすることでBi2Fe4O9の生成を抑制できることが明らかになった。電子顕微鏡による組織解析より、BiFeO3相とBi2Fe4O9相の粒界構造を調べたところ、原子レベルで急峻な界面であった。また、HAADF-STEM観察により薄膜/基板界面直上には、Bi2O3と考えられる極薄層が形成されることが分かった。この結果から、ポストアニール時に薄膜表面のBiFeO3相が分解し、Bi酸化物が基板界面へ向かって拡散し、Bi2Fe4O9相が表面から基板界面に向かって成長すると推察される。この際、形成される柱状組織における柱状粒界が、薄膜に垂直に配向しており、リーク電流パスとして働くと考えられる。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2015 2014

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 1件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Effect of Ti concentration on the growth of chemically-ordered regions of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 epitaxial thin films2015

    • 著者名/発表者名
      C. Fan, T. Kiguchi, A. Akama, and T.J. Konno
    • 雑誌名

      J. Ceram. Soc. Jpn.

      巻: 123 ページ: in press

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] TEM analysis of the nanostructure of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 thin films by MOD method2014

    • 著者名/発表者名
      Y. Misaka, T. Kiguchi, K. Sato, T. Nishimatsu, T. Yamada, N. Usami, and T.J. Konno
    • 雑誌名

      Key Eng. Mater.

      巻: 582 ページ: 19-22

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/KEM.582.19

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Aberration-corrected STEM analysis of ordered structure in Pb(Mg1/3Nb2/3)03 thin films2014

    • 著者名/発表者名
      C. Fan, T. Kiguchi, T. Yamada, and T.J. Konno
    • 雑誌名

      AMTC Lett.

      巻: 4 ページ: 200-201

    • 謝辞記載あり
  • [学会発表] Atomic-resolution analysis of structure and morphology of PMN-PT epitaxial thin films2015

    • 著者名/発表者名
      Takanori Kiguchi, Cangyu Fan, Akihiro Akama, Takahisa Shiraishi, Toyohiko J. Konno
    • 学会等名
      Pacifichem2015
    • 発表場所
      ハワイ(ホノルル)
    • 年月日
      2015-12-15 – 2015-12-20
    • 招待講演
  • [学会発表] リラクサー強誘電体薄膜における2相共存組織2015

    • 著者名/発表者名
      範 滄宇、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第71回学術講演会
    • 発表場所
      京都国際会館 (京都府京都市)
    • 年月日
      2015-05-13 – 2015-05-15
  • [学会発表] PMN-PT薄膜におけるMPBシフトと構造評価2015

    • 著者名/発表者名
      範 滄宇、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦
    • 学会等名
      日本セラミックス協会2015年年会
    • 発表場所
      岡山大学(岡山県岡山市)
    • 年月日
      2015-03-18 – 2015-03-20
  • [学会発表] STEM-EELS法によるPMN-PT/STO界面における電子状態分析2014

    • 著者名/発表者名
      範 滄宇、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦
    • 学会等名
      第34回エレクトロセラミックス研究討論会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2014-10-24 – 2014-10-25
  • [学会発表] Pb(Mg1/3Nb2/3)O3薄膜における秩序構造の原子分解能観察2014

    • 著者名/発表者名
      範 滄宇、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦
    • 学会等名
      材料フェスタin仙台
    • 発表場所
      仙台国際センター(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2014-07-28 – 2014-07-28
  • [学会発表] (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3エピタキシャル薄膜における規則構造の原子分解能観察2014

    • 著者名/発表者名
      範 滄宇、木口賢紀、赤間章裕、今野豊彦
    • 学会等名
      東北大学金属材料研究所所内講演会(126)
    • 発表場所
      東北大学金属材料研究所(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2014-05-28 – 2014-05-28
  • [学会発表] Pb(Mg1/3Nb2/3)O3薄膜における秩序構造の原子分解能観察2014

    • 著者名/発表者名
      範 滄宇、木口賢紀、今野豊彦
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第70回学術講演会
    • 発表場所
      幕張メッセ (千葉県千葉市)
    • 年月日
      2014-05-11 – 2014-05-13
  • [学会発表] Aberration-corrected STEM analysis of ordered structure in Pb(Mg1/3Nb2/3)03 thin films2014

    • 著者名/発表者名
      Cangyu Fan,Takanori Kiguchi, Tomoaki Yamada, and Toyohiko J. Konno
    • 学会等名
      AMTC4
    • 発表場所
      浜松アクトシティー (静岡県浜松市)
    • 年月日
      2014-05-08 – 2014-05-11
  • [図書] XAFS/EELSによる 局所構造解析 テクニック2014

    • 著者名/発表者名
      木口賢紀 他
    • 総ページ数
      240 (79-107)
    • 出版者
      情報機構
  • [図書] 注目の強誘電体材料(2) 強誘電体薄膜の合成とデバイス開発2014

    • 著者名/発表者名
      脇谷尚樹, 篠崎和夫, 木口賢紀,山田智明,水谷惟恭
    • 総ページ数
      728 (104-119)
    • 出版者
      TIC

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公開日: 2016-06-01  

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