2020 Fiscal Year Annual Research Report
ナノポーラス構造が拓く新奇トポロジカル強誘電性とその力学的機能制御
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19K21918
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
嶋田 隆広 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20534259)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2021-03-31
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| Keywords | ナノ多孔質材 / 強誘電体 / マルチフィジックス特性 / Phase-Field法 / 第一原理解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強誘電(圧電)材料は、力場・電場と緊密に作用する性質(圧電応答やヒステリシス応答)を有することからナノ・電気機械・エネルギー科学技術の基幹材料となっている。ナノ多孔質構造を有する強誘電体では、均質材の直線状分極とは異なり、渦状などの位相幾何学的な新しい強誘電分極が発現することが発見された。この位相幾何学的ナノ強誘電分極によって、巨大な圧電効果や多重ヒステリシス応答などの新しい機能が発現しており、これにより様々な科学的技術的進展が期待できる。一方、その実現には、位相幾何学的ナノ分極の特性評価や発現機構の解明が不可欠である。本研究では、ナノ多孔質材中の位相幾何学的な強誘電分極と、同時に発現する機能を解明することを目的とする。さらに、負荷ひずみと新奇分極の連動作用(マルチフィジックス)を究明することで、新機能を自在に発現・制御するための設計基盤を構築する。
２年目である２０２０年度は、位相幾何学的な分極発現メカニズムを解明するためにナノ構造体内に発生する反電場を抽出し、これをナノ多孔質材に適用できるよう現有プログラムの改造・実装を行った。ナノ多孔質材に対して負荷条件下での大規模量子解析を実施し、負荷に対する多孔質形状特有の変形特性を解明するとともに、それと連動する強誘電分極パターンや特性の変化(マルチフィジックス特性)を評価した。ポーラス材の構造に応じて、渦やラビリンスなどのnon-trivialなトポロジカル数を持った秩序が発現し、負荷に伴う応力場によってこのトポロジカル数を制御・設計できることを明らかにした。これは、単純な応力・ひずみ場だけでなく、応力勾配・ひずみ勾配場がつくる幾何学性に強く依存することを示した。これを基に、力場によるトポロジカル機能設計論の基盤を示唆するに至った。
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