2014 Fiscal Year Annual Research Report
電場による瞬間的な原子の動きと化学結合の変化を可視化する時分割構造計測技術の開発
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26286043
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
黒岩 芳弘 広島大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40225280)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森吉 千佳子 広島大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (00325143)
大沢 仁志 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 研究員 (00443549)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 / 誘電体物性 / X線 / 超精密計測 / 物性実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
圧電材料に電場が瞬間的に印加された時の構造変化をＸ線回折で調べるための実験要素技術の開発を行い，電場誘起相転移のダイナミクスや巨大構造歪みが発現するしくみを解明することが本研究の目的である．そのために，電場印加のタイミングに同期させて時分割放射光回折実験を行い，結晶構造を電子密度レベルで可視化する‘picosec-crystallography’の確立を目指す．
本研究では，研究代表者の黒岩（広島大学）と研究分担者の森吉（広島大学）および大沢（JASRI, SPring-8）が，放射光科学の分野においてお互いの得意分野で協力し，研究を推進した．黒岩と森吉は強誘電体の構造物性研究の専門家であり，それぞれ，電子密度解析と単結晶構造解析を得意とする．大沢は時分割計測が得意分野であり，オリジナルのＸ線チョッパーを改良しながら，時分割実験に対応した．
本年度は，研究の目的を達成するために，①電場印加時分割格子歪み解析と②単結晶電子密度解析の２つの研究課題を開始した．①では，大沢が中心になって，ピコ秒オーダーの時間分解能で電場印加時分割構造計測ができる実験システムをSPring-8で立ち上げた．この実験に必要な圧電セラミックス試料の作成と予備実験については，黒岩が広島大学で行った．放射光を使った時分割実験に先立ち，圧電セラミックスの電場印加による回折パターンの非一様性と異方性を前もって大学で評価し特徴を理解しておくために，補助事業に要する経費の中から主要な物品として，高感度イメージングプレート読み取り検出器を購入し，大学で予備実験ができる環境を整えた．①の課題と並行して，②単結晶電子密度解析では，森吉が中心になって，電極の取り付けられた強誘電体板状単結晶試料に対して，電子密度解析を行うための研究手法の開発をSPring-8で行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①電場印加時分割格子歪み解析について，計画通りピコ秒オーダーの時間分解能で構造計測できるシステムを構築することができた．また，強誘電体BaTiO3単結晶の分極反転に伴う構造変化について，従来は格子歪みレベルで時分割構造解析をしていたが，原子位置レベルで構造解析することに成功した．また，この課題の中でBaTiO3配向セラミックスの電場誘起相転移やBiを含むペロブスカイト型セラミックスが特異な電場誘起相転移により巨大な構造歪みを生じることを明らかにした．さらに，BaTiO3-Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-BiFeO3セラミックスにおいて，巨大構造歪みが結晶格子の歪みにより生じることも明らかにした．これらの成果の一部は，SPring-8パンフレット(2015) pp.10に掲載された．
②単結晶電子密度解析では，電子密度分布を可視化することに成功した．一方，電場印加下で電子密度分布を可視化するためには，より精密なＸ線の吸収補正をする必要があるという課題も見出した．したがって，おおむね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続き，①と②の研究課題を継続して行う．一方，これら2つの課題の融合を図り，新たな課題③電場印加時分割電子密度解析を開始する．黒岩が中心となって，研究分担者の協力により，課題①と②で確立した計測・解析技術を融合させ，SPring-8の単結晶ビームラインにおいて，強誘電体単結晶の圧電共振に伴う構造変化を電子密度レベルで構造解析する実験技術の確立にチャレンジする．また同時に，電場印加下での構造計測に関する最新の情報を国際会議や国内学会などで収集しながら，得られた成果を可能な限り早期に公表することを目指す．
このような構造解析の手法が確立されれば，圧電材料に限らず，外場応答する物質の相転移や準安定状態を電子論の立場から実空間で議論するという実験研究分野が開拓できると期待する．また，動作している電子デバイス内部の材料の挙動を非破壊で構造評価できるようになり，実用材料開発や故障解析の観点において，産業界への波及効果も高いと思われる．
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| Causes of Carryover |
共振を利用した時分割実験を行っていた際，電場印加の繰り返し周波数が高い方が効率よくデータ計測できることが分かった．そこで，時分割計測を担当する大沢に配分されたH26年度の基金助成金のうち，300,200円を使用せずにH27年度配分の予算と合算して，より適切かつ高周波の電場を試料に印加できる装置を導入することにした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
マルチファンクションジェネレータ（NF回路ブロック WF 1968）１台，689,040円 （定価、税込み）を購入し，SPring-8に設置する．納期は６月の予定である．
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[Journal Article] Preparation of Barium Titanate Grain-oriented Ceramics by Electrophoresis Deposition Method under High Magnetic Field using Single-domain Nanoparticles2014
Author(s)
S. Wada, T. Kita, I. Fujii, K. Nakashima, T. Takei, N. Kumada, T.Suzuki, Y. Uchikoshi, Y. Sakka, Y. Miwa, S. Kawada, M. Kimura and Y. Kuroiwa
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Journal Title
Key Engineering Materials
Volume: 582
Pages: 27-31
DOI
Peer Reviewed
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