ナノスケール強誘電体の分極回転ダイナミクスを利用した巨大分極結合効果の発現

本研究は、強誘電体のナノスケール構造における特異な分極回転ダイナミクスを利用して、バルク材料を超える巨大分極結合効果の発現を目指すものである。我々のこれまでの研究で、強誘電体のナノロッドの表面や人工超格子膜の界面では、分極の不連続性によって、外場で可逆的かつ大きな分極回転が起き得ることを見出している。本研究では、この知見を深化させ、分極回転のダイナミクスを利用して、巨大な分極結合効果の発現を図る。具体的には、人工超格子の自立膜を用いて、従来より高い圧電効果・電気光学効果の実現と、さらには、これらに匹敵するフレキソ効果の発現に取り組む。R4年度は、強誘電体/強誘電体人工超格子として正方晶PZT/菱面体晶PZT人工超格子を作製し、その分極応答を、主に誘電測定および圧電応答顕微鏡で調べた。特に、圧電応答顕微鏡を用いた非共振ストレインカーブ測定による電界誘起歪みの測定手法を確立し、これにより測定された電界誘起歪みと、電界下XRDで評価した圧電格子変位との比較を行った。また、熱力学現象論(ランダウ理論)を用いて分極回転の経路の理論解析を行った。それらの結果、正方晶PZT/菱面体晶PZT人工超格子における圧電応答は、界面での分極電荷の遮蔽の影響に加えて、2層間の格子ミスマッチによる歪みの影響が大きいことが明らかとなり、特性向上に向けた指針を得た。また、人工超格子の自立膜の作製に向けた予備実験を開始した。水溶性犠牲層(Sr,Ca)3Al2O3を導入した基板上に、犠牲層がない場合と同等の品質のエピタキシャルPZT薄膜を堆積する条件を明らかにし、200nmの厚みのエピタキシャルPZT膜をクラッキングを抑制しながら剥離する手法を確立した。

本研究は、強誘電体のナノスケール構造における特異な分極回転ダイナミクスを利用して、バルク材料を超える巨大分極結合効果の発現を目指すものである。我々のこれまでの研究で、強誘電体のナノロッドの表面や人工超格子膜の界面では、分極の不連続性によって、外場で可逆的かつ大きな分極回転が起き得ることを見出している。本研究では、この知見を深化させ、分極回転のダイナミクスを利用して、巨大な分極結合効果の発現を図る。具体的には、人工超格子の自立膜を用いて、従来より高い圧電効果・電気光学効果の実現と、さらには、これらに匹敵するフレキソ効果の発現に取り組む。R4年度は、強誘電体/強誘電体人工超格子として正方晶PZT/菱面体晶PZT人工超格子を作製し、その分極応答を、主に誘電測定および圧電応答顕微鏡で調べた。特に、圧電応答顕微鏡を用いた非共振ストレインカーブ測定による電界誘起歪みの測定手法を確立し、これにより測定された電界誘起歪みと、電界下XRDで評価した圧電格子変位との比較を行った。また、熱力学現象論(ランダウ理論)を用いて分極回転の経路の理論解析を行った。それらの結果、正方晶PZT/菱面体晶PZT人工超格子における圧電応答は、界面での分極電荷の遮蔽の影響に加えて、2層間の格子ミスマッチによる歪みの影響が大きいことが明らかとなり、特性向上に向けた指針を得た。また、人工超格子の自立膜の作製に向けた予備実験を開始した。水溶性犠牲層(Sr,Ca)3Al2O3を導入した基板上に、犠牲層がない場合と同等の品質のエピタキシャルPZT薄膜を堆積する条件を明らかにし、200nmの厚みのエピタキシャルPZT膜をクラッキングを抑制しながら剥離する手法を確立した。