電場によって誘起されるドメイン界面の解明とそれを用いた機能発現

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: 機能コアの材料科学
• 研究課題/領域番号: 20H05185
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 清水 荘雄 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 独立研究者 (60707587)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 強誘電体 / 圧電体 / ドメインスイッチング / 電場誘起相転移

研究実績の概要

2年目にあたる2021年度は、(1)PbTiO3薄膜におけるドメイン構造、(2)非鉛圧電体におけるドメイン構造変化(3)HfO2基強誘電体における電場誘起相転移に関して研究を行った。
(1) PbTiO3薄膜におけるドメイン構造については、SiおよびKTaO3基板上のPbTiO3エピタキシャル膜に関してドメイン構造を検討した。熱膨張率の小さなSi上の薄膜においては、電場誘起ドメインスイッチングを用いた巨大圧電応答が発現することがわかっている。SiとPbTiO3に挟まれたSrTiO3バッファ層の影響によって、膜厚が小さい場合は分極が面直方向を向いたcドメインが形成されるが、膜厚が大きくなるにつれて、a/cドメインとa/aドメインが複合的に形成される構造に変化し、aドメインが優勢になることを明らかにした。また、KTaO3基板上のPbTiO3エピタキシャル膜に関しては成膜後の冷却過程でドメイン構造が変化することを見出した。
(2) 非鉛圧電体におけるドメイン構造変化については、チタン酸ビスマスナトリウム-チタン酸バリウムにおいて、高電圧ポーリング処理によって巨大圧電性が生じることを見出し、またこの圧電性がドメインスイッチングによるものであることを明らかにした。
(3)HfO2基強誘電体における電場誘起相転移に関しては、非ペロブスカイト型結晶構造の強誘電体において電場誘起構造変化が特性に大きく影響する例として研究を行った。HfO2基強誘電体においては、冷却過程においてクエンチされた正方晶の常誘電体相から、より安定な強誘電体相に電場誘起構造相転移が起こり、強誘電性が発現しうることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Domain structures induced by tensile thermal strain in epitaxial PbTiO3 films on silicon substrates (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Tomoya、Kodera Masanori、Ichinose Daichi、Mimura Takanori、Shimizu Takao、Yamada Tomoaki、Funakubo Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 131 ページ: 035301～035301
  • DOI: 10.1063/5.0074884
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large Piezoelectric Response in Lead-Free (Bi0.5Na0.5)TiO3-Based Perovskite Thin Films by Ferroelastic Domain Switching: Beyond the Morphotropic Phase Boundary Paradigm (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Takao、Hasegawa Miyu、Ishihama Keisuke、Tateyama Akinori、Yamaoka Wakiko、Tsurumaru Risako、Yoshimura Shintaro、Sato Yusuke、Funakubo Hiroshi
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 13 ページ: 57532～57539
  • DOI: 10.1021/acsami.1c15713
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of 0.1(Bi,Na)TiO3-0.9BaTiO3; epitaxial films by pulsed laser deposition and their electric properties (2021)
  • 著者名/発表者名: ISHIHAMA Keisuke、KODERA Masanori、SHIMIZU Takao、YAMAOKA Wakiko、TSURUMARU Risako、YOSHIMURA Shintaro、SATO Yusuke、FUNAKUBO Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 129 ページ: 337～342
  • DOI: 10.2109/jcersj2.21002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of cooling rate on ferroelastic domain structure for epitaxial (100)/(001)-oriented Pb(Zr, Ti)O3 thin films under tensile strain (2021)
  • 著者名/発表者名: Ehara Yoshitaka、Ichinose Daichi、Kodera Masanori、Shiraishi Takahisa、Shimizu Takao、Yamada Tomoaki、Nishida Ken、Funakubo Hiroshi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 ページ: SFFB07～SFFB07
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac10f7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comprehensive Study on the Kinetic Formation of the Orthorhombic Ferroelectric Phase in Epitaxial Y-Doped Ferroelectric HfO2 Thin Films (2021)
  • 著者名/発表者名: Tashiro Yuki、Shimizu Takao、Mimura Takanori、Funakubo Hiroshi
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 ページ: 3123～3130
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c00342
  • 査読あり