第一原理計算・結晶均質化法による非線形圧電トリプルスケール解析法の開発とその検証

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本年度の研究実績は下記の3項目に大別される.(1)ドメイン・スイッチング,構造相転移を考慮した熱・圧電弾性非線形有限要素解析プログラムの開発均質化法による圧電弾性線形問題のマルチスケール解析手法を基にして,ドメイン・スイッチングと構造相転移を考慮した熱・圧電弾性非線形問題の有限要素解析プログラムを前年度より継続して開発した.本年度は,これまでの計算結果を踏まえて係数マトリックス非零化のためにミクロ変位および電位に関する擾乱の表現を改め,結晶均質化法定式化の修正とこれに基づいたUpdated Lagrange形式の非線形有限要素解析プログラムを開発した.(2)ドメイン・スイッチングに起因したバタフライ・ヒステリシス特性評価実験による検証BaTiO_3バルク単結晶体によりドメイン・スイッチング判定条件として発生電界と抗電界の関係が有効であることを確認した上で,BaTiO_3バルク多結晶体に対してXRDおよびSEM-EBSD結晶形態計測に基づく微視構造モデルを導入し,開発プログラムにより非線形有限要素解析を実施した.特に,マクロ特性を正確に表現し得るミクロ構造(代表体積要素)のモデル化,非線形挙動に及ぼす結晶方位分布の影響を明らかにした.また,BaTiO_3バルク多結晶体に対してバタフライ・ヒステリシス測定も実施し,開発手法の妥当性を確認した.(3)スパッタリングにより創製した圧電薄膜のバタフライ・ヒステリシス特性評価実験スパッタリング圧電薄膜創製技術により多結晶配向薄膜を創製し,バタフライ・ヒステリシス特性および残留応力測定を実施し,開発手法の圧電薄膜への応用を試みた.特に,薄膜特有の柱状結晶粒は,結晶方位に応じて下地結晶との整合性が異なるため結晶構造が変化することから,トリプルスケール解析手法の有効性および必要性を確認した.また,基板上に形成された圧電薄膜のバタフライ・ヒステリシス特性は,d33およびd31効果が混在するため試験片形状に強く依存することから,開発手法により薄膜特性評価に適した試験片寸法を見出した.