Precise 3D Structural Analysis of High-Performance Piezoelectric Materials using X-ray Fluorescence Holography under an Electric Field

本研究では、様々な圧電材料の構造が電場を印加することでどのように変化するかを原子レベルで解明することを目的としている。圧電性は、広い範囲に渡って原子が協調的に変位することで発現する。さらに、類似した結晶構造でも元素の組み合わせによって圧電性は大きく変化する。そのため、元素選択的に広い範囲に渡って、原子配列を可視化できる蛍光X線ホログラフィーが有用である。本年度は、蛍光X線ホログラフィーの実験セットアップに新たに電圧印加その場測定機構を導入し、高い圧電性能を示すPb(Zr,Ti)O3薄膜に適用した。実験は、放射光施設SPring-8およびPhoton Factoryで実施し、それぞれ、ZrおよびTiのホログラムを計測した。実験では薄膜に対して垂直方向に電場を印加しながらホログラムを計測した。事前に電圧を印加して圧電特性を確認してから、放射光実験に臨んだが、放射光の照射により絶縁性が損なわれ、当初予定の100 Vよりも小さな10 Vの電圧印加にとどまった。得られたデータを解析したところ、電圧印加によって原子像形状にわずかな変化が見られた。現在、より詳細に解析を進めている。さらに、薄膜試料では絶縁性が十分に保持できないことを考慮し、厚み0.1mmの薄い板状の圧電体試料Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3の電圧印加蛍光X線ホログラフィー測定にも取り組んだ。この試料では、絶縁性を良好に保つことができ400 Vまで電圧を印加することができ、Nbのホログラムを得ることに成功した。解析した結果、明瞭な原子像が得られており、電圧印加前後でその形状や強度が変わる様子が確認できた。現在、原子変位に関して、定量的な評価を試みている。

本研究では、様々な圧電材料の構造が電場を印加することでどのように変化するかを原子レベルで解明することを目的としている。圧電性は、広い範囲に渡って原子が協調的に変位することで発現する。さらに、類似した結晶構造でも元素の組み合わせによって圧電性は大きく変化する。そのため、元素選択的に広い範囲に渡って、原子配列を可視化できる蛍光X線ホログラフィーが有用である。本年度は、蛍光X線ホログラフィーの実験セットアップに新たに電圧印加その場測定機構を導入し、高い圧電性能を示すPb(Zr,Ti)O3薄膜に適用した。実験は、放射光施設SPring-8およびPhoton Factoryで実施し、それぞれ、ZrおよびTiのホログラムを計測した。実験では薄膜に対して垂直方向に電場を印加しながらホログラムを計測した。事前に電圧を印加して圧電特性を確認してから、放射光実験に臨んだが、放射光の照射により絶縁性が損なわれ、当初予定の100 Vよりも小さな10 Vの電圧印加にとどまった。得られたデータを解析したところ、電圧印加によって原子像形状にわずかな変化が見られた。現在、より詳細に解析を進めている。さらに、薄膜試料では絶縁性が十分に保持できないことを考慮し、厚み0.1mmの薄い板状の圧電体試料Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3の電圧印加蛍光X線ホログラフィー測定にも取り組んだ。この試料では、絶縁性を良好に保つことができ400 Vまで電圧を印加することができ、Nbのホログラムを得ることに成功した。解析した結果、明瞭な原子像が得られており、電圧印加前後でその形状や強度が変わる様子が確認できた。現在、原子変位に関して、定量的な評価を試みている。