STEM-CBED法による強誘電体の分極ナノドメインの構造解析・分極マッピング

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25287068
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 津田 健治 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (00241274)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 電子顕微鏡 / 収束電子回折 / STEM-CBED法 / 誘電体物性 / 分極マッピング

研究概要

収束電子回折 (Convergent-beam electron diffraction: CBED) 法と走査透過電子顕微鏡 (Scanning transmission electron microscopy: STEM) 法を組み合わせて，格子歪み・分極・静電ポテンシャルの局所変化を2次元分布として計測できる新たな手法 (STEM-CBED法) を開発し，現有のエネルギーフィルター透過電子顕微鏡JEM-2010FEF上で実際に動作させることに成功した．
この手法を用いて，典型的な強誘電体であるチタン酸バリウム (BaTiO3) の強誘電正方晶相の観察を行い，局所構造および分極が空間的に揺らいでいる様子を可視化した．その結果，チタン酸バリウムの正方晶相の局所構造は，平均構造とは異なる菱面体晶相の対称性を持っており，その局所構造の揺らぎのスケールはナノメーター程度で，分極の方向がそろったナノサイズのクラスター (分極クラスター) を形成していることを明らかにした．これは，構造相転移が単なる変位型ではなく秩序・無秩序性を持っていることを示している．より定量的な議論のために，第一原理分子動力学計算を援用して局所構造・分極揺らぎのモデルを構築し， CBED図形の動力学回折理論によるシミュレーションを行う準備を進めている．
また，別の典型的な強誘電体であるチタン酸鉛 (PbTiO3) の強誘電正方晶相において，チタン酸バリウムと対照的に，局所構造が平均構造と同じ正方晶相をとることを明らかにした．

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

研究実績で述べたように，STEM-CBED法を現有のエネルギーフィルター透過電子顕微鏡JEM-2010FEF上で実際に動作させることに成功し，チタン酸バリウム強誘電正方晶相の局所構造・分極のナノスケールの揺らぎを可視化することに成功した．この結果はAppl. Phys. Lett. に掲載された (Kenji Tsuda, Akira Yasuhara, and Michiyoshi Tanaka, "Two-dimensional mapping of polarizations of rhombohedral nanostructures in the tetragonal phase of BaTiO3 by the combined use of the scanning transmission electron microscopy and convergent-beam electron diffraction methods", Appl. Phys. Lett. 103, 082908-1-4 (2013))．さらにSTEM-CBED法を広く適用できる段階に達している．

今後の研究の推進方策

STEM-CBED法を適用して，チタン酸バリウムの構造相転移近傍での局所構造・分極揺らぎの温度依存性，90°および180°ドメイン壁近傍での局所構造・分極揺らぎについて調べる．さらに，ヘテロ強誘電体界面やナノキューブなどの新奇強誘電体への適用を試みる．第一原理分子動力学計算を援用して局所構造揺らぎのモデルを構築し，動力学回折強度計算によるCBED図形のシミュレーションを行って，実験と比較を行う．

研究成果

• [雑誌論文] Two-dimensional mapping of polarizations of rhombohedral nanostructures in the tetragonal phase of BaTiO3 by the combined use of the scanning transmission electron microscopy and convergent-beam electron diffraction methods (2013)
  • 著者名/発表者名: Kenji Tsuda, Akira Yasuhara, and Michiyoshi Tanaka
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 103 ページ: 082908-1-4
  • DOI: 10.1063/1.4819221
  • 査読あり
• [雑誌論文] Convergent-Beam Electron Diffraction Study of the Local Structure of the Tetragonal Phase of PbTiO3 (2013)
  • 著者名/発表者名: Kenji Tsuda, and Michiyoshi Tanaka
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 6 ページ: 101501-1-3
  • DOI: 10.7567/APEX.6.101501
  • 査読あり
• [学会発表] Study of nanoscale local structures of ferroelectric barium titanate using convergent-beam electron diffraction (2013)
  • 著者名/発表者名: Kenji Tsuda, Rikiya Sano, Akira Yasuhara and Michiyoshi Tanaka
  • 学会等名: The 12th Conference of the Asian Crystallographic Association (AsCA2013)
  • 発表場所: HKUST, Hong Kong
  • 年月日: 20131207-20131210
  • 招待講演
• [学会発表] Study of Nanoscale Local Structures in Ferroelectric Barium Titanate Using Convergent-Beam Electron Diffraction (2013)
  • 著者名/発表者名: Kenji Tsuda
  • 学会等名: 16th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Materials
  • 発表場所: Sheraton Raleigh, Raleigh, NC, USA
  • 年月日: 20131106-20131109
  • 招待講演
• [学会発表] STEM-CBED法によるBaTiO3正方晶相の局所構造・分極マッピング (2013)
  • 著者名/発表者名: 津田健治，田中通義
  • 学会等名: 日本結晶学会平成25年度年会
  • 発表場所: 熊本大学
  • 年月日: 20131012-20131013
• [学会発表] TEM/STEMによるBaTiO3の局所構造揺らぎの直接観察の可能性 (2013)
  • 著者名/発表者名: 津田健治
  • 学会等名: 日本物理学会2013年秋季大会
  • 発表場所: 徳島大学
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] Study of Nanoscale Local Structures in Ferroelectric Barium Titanate Using Convergent-Beam Electron Diffraction (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Tsuda
  • 学会等名: 13th International Meeting on Ferroelectricity (IMF13)
  • 発表場所: Jagiellonian Univ., Krakow, Poland
  • 年月日: 20130902-20130906