2015 Fiscal Year Research-status Report
巨大圧電特性発現のための第一原理マルチスケール・マルチノンリニア解析法の開発
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26420030
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
上辻 靖智 大阪工業大学, 工学部, 准教授 (00340604)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | マルチスケール解析 / 非線形有限要素解析 / 第一原理計算 / 無鉛圧電材料 / ドメイン・スイッチング / 構造相転移 / モルフォトロピック相境界 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，巨大圧電特性を発現する新規無鉛材料の設計・開発を支援するため，均質化法に基づいた第一原理マルチスケール・マルチノンリニア解析法の構築を目的とする．巨大圧電特性発現の鍵は，複数の結晶構造が互いに相転移可能な状態で共存することで，微視構造における分極回転（ドメイン・スイッチング）が容易に生じ巨視的に優れた機能を発現するモルフォトロピック相境界にある．開発手法では，新規材料に対してモルフォトロピック相境界を特定した上で，複数の相が微視的に融合して巨視的に発現する特性の評価を実現する．
平成27年度は，平成26年度の研究実績を踏まえて，第一原理マルチスケール・マルチノンリニア解析法として，均質化法に基づいた定式化および第一原理計算に基づいた結晶状態判定法を組み込んだ解析プログラムを開発した．また，開発手法の検証のため，既存のチタン酸ジルコン酸鉛およびチタン酸バリウム系のペロブスカイト酸化物に対して，第一原理計算により結晶構造および物性を評価した上で，エネルギー計算結果に基づいて構築した熱力学エネルギー関数を用いて状態図を予測し，妥当性を確認した．さらに，昨年度に導入した遊星ボールミルを使用して薄膜創製用のターゲットを作成し，スパッタリング法によりチタン酸バリウム薄膜を創製して電界印加時の電荷および変位応答の同時測定によりヒステリシスおよびバタフライ特性評価を達成した．
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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
本研究は，有限要素解析，第一原理計算，検証実験の３つの項目に大別される．まず，有限要素解析については，これまでの研究成果である均質化法に基づいた定式化および第一原理計算に基づいた結晶状態判定法をマルチスケール解析プログラムに組み込んで，目的の機能を有する第一原理マルチスケール・マルチノンリニア解析プログラムを開発した．また，開発プログラムにより既存のチタン酸ジルコン酸鉛多結晶体のヒステリシスおよびバタフライ特性を解析し，その妥当性をおおむね検証した．今後もパラメータの修正や変更が必要であるが，当初計画していた開発手法の骨格は完成した．次に，第一原理計算においては，当初の計画に従って既存のチタン酸ジルコン酸鉛およびチタン酸バリウム系のペロブスカイト酸化物を対象として結晶構造および物性を評価し，係数同定した熱力学エネルギー関数に基づいて薄膜創製に必要な状態図を得た．また，得られた計算データは前述の有限要素解析にも問題なく使用できることを確認した．全エネルギーが僅差となる結晶相において一部ミス判定を伴うが主要な結晶相の判定は妥当であり，新規材料への応用が可能であると考える．さらに，検証実験においては，下部電極をPtバッファ層としたSi基板を用いて，スパッタリングによりチタン酸バリウム薄膜の創製も無事に終えた．なお，スパッタ用のターゲットは昨年度に導入した遊星ボールミルを使用した．現状では，バタフライ特性においては変位が小さく創製条件改善の余地があるが，ヒステリシス特性においては十分な応答を計測できており，おおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は本研究プロジェクトの最終年度であることから，構築した第一原理マルチスケール・マルチノンリニア解析プログラムを新規材料へ適用し，巨大圧電特性を発現する新規無鉛材料の開発を目指す．これまでの第一原理計算において優位性が認められたチタン酸バリウムにカルシウムおよびジルコンを添加した複合ペロブスカイト酸化物から開始する．結晶モデリングの制約および計算コストの観点から50%組成の酸化物に対して第一原理計算およびマルチスケール・マルチノンリニア解析を実施し，モルフォトロピック相境界における巨視的な圧電応答を明らかにする．一方，第一原理計算により係数同定した熱力学エネルギー関数による状態図の予測においては，25%および75%組成の酸化物にも調査範囲を拡大し，創製条件に及ぼす組成の影響も考慮する．得られた状態図より最適な組成および基板との不整合ひずみを特定し，スパッタ薄膜創製に反映する．これまでに構築した基板上での結晶成長予測法に基づいて最適な不整合ひずみに近いバッファ層結晶面を厳選し，遊星ボールミルにより最適な組成を有する薄膜創製のためのターゲットを作成してスパッタ薄膜を創製する．スパッタ薄膜のヒステリシスおよびバタフライ特性を計測し，添加元素，組成，創製条件（基板温度，酸素流量）の影響を明らかにする．
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| Causes of Carryover |
英文校正と学会参加費によりその他の支出が増加したため，研究進捗に支障のない範囲で物品費の支出を減らして調整した．次年度にも招待講演２件など国際会議の参加を予定しており，そのための費用も本年度の物品費で調整し，次年度に繰り越した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の学会参加費に充当して使用する．
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