Development of ferroelectric superlattice thin films for next-generation energy storage devices

开发用于下一代储能器件的铁电超晶格薄膜

基本信息

批准号：
22K14479
负责人：
松尾拓紀
金额：
$ 3万
依托单位：
Kumamoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

BaTiO3 (BTO)を主とする強誘電体超格子薄膜の構成層と、バッファ層の候補材料の選定に取り組んだ。固相反応法によりSr(Zrx, Ti1－x)O3 (SZT)、Sr(Zry, Ce1－y)O3 (SZC)及びSr(Cez, Ti1－z)O3 (SCT)のセラミックスを作製し、X線回折（XRD）法による結晶構造解析により格子定数の組成依存性を調査した。SZT、SZCは全率固溶したが、SCTではSrTiO3とSrCeO3の混相となった。SZTではZr固溶量の増加に伴い、連続的に格子定数が変化した。以上よりSZTが組成制御により格子定数が変調可能であり、バッファ層および超格子の構成材料として有望であることが明らかとなった。バッファ層にZr固溶量の異なる2種のSZTからなる積層構造を採用し、その上にBTO薄膜を成膜した。パルスレーザー堆積法（PLD）を用いて、SrTiO3 (STO) (100)単結晶基板上にSZTバッファ層、Ba0.4Sr0.6RuO3(BSRO)薄膜電極、BTO強誘電体薄膜を成膜した。上部電極としてPtを成膜し、薄膜キャパシタ試料を得た。明確な分極反転は観測されなかったものの、XRD測定により基板からの応力が緩和されたBTO薄膜がエピタキシャル成長していることが確認され、バッファ層が応力制御に有効に機能していることが示された。また超格子構成材料の候補として反強誘電性NaNbO3セラミックスの作製と電気特性評価にも取り組んだ。NaサイトをCaに部分置換することにより、反強誘電相と強誘電相の可逆な電場誘起相転移を実現した。超格子への反強誘電体層の導入と応力制御を組み合わせることで、エネルギー貯蔵密度の向上が期待できると考えている。

我们一直在选择选择铁电超晶状体薄膜的组成层，主要是Batio3（BTO）和缓冲层的候选材料。 SR（ZRX，TI1-X）O3（SZT），SR（ZRY，CE1-Y）O3（SZC）和SR（CEZ，Ti1-Z）O3（SCT）的陶瓷通过固态反应方法制备，通过X-RAY扩散（X-RAY差异）研究了晶格结构分析（X-RAY差异）的组成依赖性。 SZT和SZC在总比率下为实线，但在SCT中，SRTIO3和SRCEO3成为混合阶段。在SZT中，随着ZR固体溶液量的增加，晶格常数不断变化。从上述过程中，已经揭示了SZT的晶格常数可以通过组成控制调节，并有望作为缓冲层和超晶格的组成材料。缓冲层是一种层压结构，由两种类型的SZT组成，具有不同的ZR固体溶液量，并在其上形成了BTO薄膜。使用脉冲激光沉积法（PLD），在SRTIO3（STO）（100）单晶底物上形成了SZT缓冲层，BA0.4SR0.6RUO3（BSRO）薄膜电极和BTO铁电薄膜。将PT沉积为获得薄膜电容器样品的顶部电极。尽管未观察到明确的极化反演，但XRD测量结果证实，底物应力减轻的BTO薄膜表现出现，表明缓冲层有效控制应力。我们还致力于制造抗Ferroelectric Nanbo3陶瓷，并评估电性能作为超晶格组成材料的候选物。通过用Ca取代Na位点，可以实现可逆的电场诱导的抗抗逆抗菌相和铁电相之间的相变。我们认为，通过将抗抗抗铁层的引入到超晶格和应力控制中，可以提高能量存储密度。