2019 Fiscal Year Annual Research Report
Design and fabrication of multiferroic materials with huge magnetoelectic effect caused by digital composite structure
| Project/Area Number |
17H03151
|
|---|
| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
上辻 靖智 大阪工業大学, 工学部, 教授 (00340604)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 機械材料・材料力学 / 機能材料 / マルチスケール解析 / 電気磁気効果 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
次世代新規デバイス開発の核となるマルチフェロイック材料の電気磁気効果を飛躍的に向上することを目的とし，これまでに強誘電体材料で実績のあるマルチスケール構造最適設計を応用して，数値解析主導の材料開発に着手している．巨大なマクロ電気磁気効果の発現の鍵はミクロ不均質構造とカップリング（圧電および圧磁）特性の相乗効果にあり，従来の均質単結晶体の積層構造を超える潜在能力が未開拓である．
令和元年度は昨年度に構築した設計法を用いて，マルチフェロイック複合材料のマクロ電気磁気効果を最大化するミクロ構造の最適化を実施した．強誘電体をBaTiO3およびPZT，強磁性体CoFeO3およびTerfenol-Dとして，体積含有率の影響，結晶構造の異方性，自発分極のスイッチング効果を考慮し，均質単結晶体の積層構造を超えるミクロ構造を探求した．また，ミクロひずみ分布を分析し，マクロ電気磁気効果の発現メカニズムを明らかにした．
一方，圧粉・焼結法によるマルチフェロイック複合材料を創製した．また，RFスパッタリング装置によってシリコン基板上に金属下部電極バッファ層を形成した後，マルチフェロイック複合層を成膜した．結晶性と圧電特性に及ぼす焼結条件の影響を調査した．さらなる特性の向上を目指して，コロナ放電システムを新たなに導入し，分極処理を改善することにした．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度に構築した均質化理論に基づいたマルチスケール最適設計法を様々な材料の組合せにも適用し，ミクロ構造の最適化を行った結果，均質化したマクロ電気磁気定数が均質単結晶体の積層構造を超える期待通りの結果を得た．すなわち，ミクロ構造最適化の効果がほかの材料の組合せでも確認できた．また，ミクロひずみ分布の分析からマクロ電気磁気効果の発現メカニズムも解明できたことから，おおむね順調に進展している．
一方，圧粉成形・焼結法およびRFスパッタ法によりマルチフェロイック複合材料も順調に創製している．また，当初予定にはなかったが，分極処理を改善するためのコロナ放電システムを新たに導入し，更なる特性向上を目指すことも研究項目に追加した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度はこれまでに構築した，均質化理論に基づいたマルチスケール最適設計法を用いて，前年度の研究成果を踏まえマルチフェロイック複合材料のマクロ電気磁気効果を最大化するミクロ構造の最適化を継続する．強誘電体および強磁性体の材料組合せ，体積含有率の影響，結晶構造の異方性，自発分極のスイッチング効果を考慮し，均質単結晶体の積層構造を超えるミクロ構造を探求する．特に，材料の組合せ（強誘電体：BaTiO3，PZT，(Ba,Ca)(Zi,Ti)O3／強磁性体：CoFeO3，Terfenol-D）に関して，ミクロ構造最適化の有効性を確認したうえで，ミクロ構造の最適化手法およびそれに得られたミクロ構造（デジタル複合構造）に対して特許化を目指す．
一方，圧粉成形・焼結法による創製実験は前年度から継続し，電気分極および磁気分極の処理方向の影響について検討する．特に，前年度に新たに導入したコロナ放電システムを用いた分極処理の効果を検証する．また，RFスパッタリング装置によるマルチフェロイック複合薄膜の創製も継続し，シリコン基板上に金属下部電極バッファ層を形成した後，マルチフェロイック複合層を成膜する．さらに，３Dプリンティングへの応用も開始する．これまでは，強誘電体および強磁性体の二溶液滴下・乾燥による創製を検討してきたが，溶液乾燥後にデジタル複合構造を維持するのが想定以上に困難であったことから，熱溶解積層方式3Dプリンティングに変更する．圧電粉体および圧磁粉体を含有する２つの機能フィラメントを用いたデジタル複合構造の創製を目指す．本年度は，圧電・圧磁粉体を含有する機能フィラメントの創製から開始する．
|
