【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】15H02292 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

強誘電性 / 強磁性 / フェリ磁性 / 薄膜 / 電圧制御 / マルチフェロイック / マルチフェロイックス / k-アルミナ / 結晶ドメイン / 磁性 / 垂直磁化 / 電圧磁化制御 / PLD / 先端機能デバイス / セラミックス / 電子・電気材料

【研究成果の概要】

本研究では、垂直磁化した磁性体あるいはマルチフェロイック薄膜に電場を印加して、磁化反転を行うための、材料とデバイス構造を最適化するための基礎的知見を得ることを目的として、一連の実験を行った。κアルミナ型、YMnO3型マルチフェロイック材料に関してはドメイン構造、磁化特性、および室温での強誘電性に着目して材料探索を目的として薄膜合成をおこない、マルチフェロイック特性を調べた。強磁性体金属ー強誘電体ヘテロ構造も作製して電場による磁化制御を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】44,720千円 (直接経費: 34,400千円、間接経費: 10,320千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】18206067 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セラミックス / 計算状態図 / 第一原理計算 / 熱力学 / 相転移 / 状態図計算 / 比熱 / 固溶体 / 薄膜

【研究成果の概要】

酸化物のモデル系としてMgOおよびZnO基の2元系などを対象に,有限温度での相転移挙動,溶質元素の固溶限の導出,中間相生成の検討という3つの課題を設定し,系統的な第一原理熱力学計算を行うとともに,これを実験により検証した.また圧力依存性についても,計算と実験の両面から検討した.検証実験としては,MgOおよびZnO基の2元系などの様々な酸化物モデル系を対象に,通常の常圧下での高温熱平衡実験,高温高圧下での熱平衡実験,パルスレーザー成膜(PLD)法により合成した過飽和固溶体など準安定平衡相の相分離実験を行った.実験と計算値の齟齬が大きい場合には,理論計算にフィードバックをかけ,計算モデルの精度について検討した.
具体的には,第一原理熱力学法に基づいた計算状態図作成技術を確立させ,網羅的な計算を行った.第一原理フォノン計算により比熱の温度依存性を求め,それを積分してエンタルピー,エントロピー,自由エネルギーを算出した.これにクラスター展開法およびモンテカルロ計算を連携させることにより,固溶体の自由エネルギーを導出した.また,常圧下での高温熱平衡実験,高温高圧下での熱平衡実験,パルスレーザー成膜(PLD)法により合成した過飽和固溶体についてX線回折,X線分光実験を行い,計算結果を検証した.その結果,ZnO-MgO,ZnO-A1_2O_3,Ga_2O_3-MnGa_2O_4固溶体の局所構造の決定やSn-O系における一連のホモロガス構造の存在の予測などの重要な成果が得られた.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】49,920千円 (直接経費: 38,400千円、間接経費: 11,520千円)

【研究分野】金属物性

【研究領域課題番号】18206066 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ物性 / 転位 / 転位構造 / バイクリスタル / 小傾角粒界 / 配列制御 / デバイス / 高分解能電子顕微鏡 / 薄膜 / セラミックス

【研究成果の概要】

セラミックスの優れた特性を活用した高性能でかつ新規な機能を有したデバイスを開発するために,"転位"並びに"転位偏析"を積極的に利用した全く新しいセラミックスデバイスを開発することを目的とした研究を行った.その結果,ねじり成分を高精度に制御することにより転位の配列を制御することができるということを見出した.さらに,高精度に制御された転位にドーパントを添加し,ナノ細線の作製もおこなった.その結果,これまでの10 倍量の転位ナノ細線の作成に成功した.転位ナノ細線近傍の高分解能計測から,ドーパント偏析メカニズムと機能発現メカニズムを明らかにした.本研究を通し,転位配列の制御法を確立し,高密度ナノ細線の創成指針を見出すことができた.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】47,060千円 (直接経費: 36,200千円、間接経費: 10,860千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】18206013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

界面強度 / 薄膜 / ナノインデンターション / マルチピール試験 / 結合力モデル / 高分子 / セラミックス / 界面 / ナノインデンテーション / 紫外線 / 不均質材料 / ピール試験 / 圧電材料 / SH波

【研究成果の概要】

半導体デバイスやマクロセンサーなどのマイクロシステムは種々の材料から構成される多層薄膜構造体であることが特徴である. 本研究では, このような多層薄膜構造体の機能・寿命特性を支配する表面・界面の力学場パラメータを明らかにすることを目的として, 従来のナノインデンテーション試験, マルチステージピール試験のよるはく離過程の観察・評価に加えて, 多軸駆動型はく離法を新たに開発し, 界面特性を精度良く評価できる手法を提示するとともに, 界面強度特性を結合力モデルによって考慮した有限要素解析を行い, はく離進展の挙動を明らかにしている.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】15206014 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

界面 / 破壊クライテリオン / はく離 / 界面酸化層 / 鉛フリーはんだ / 遮熱コーティング / 非破壊検査 / Love波 / インデンテーション / 原子間力顕微鏡 / 界面モデル / 高分子 / セラミックス / 破壊じん性 / 薄膜 / コーティング / 界面結合モデル / 破壊靭性

【研究成果の概要】

異種材料の接着・接合ないし複合材料が幅広く利用さるようになってきており,それらの強度について,より信頼性の高い評価が求められている.さらに,接着・接合界面には,種々の微視組織・構造が形成されており,これらのミクロな階層を考慮した強度則の確立が必要である.本研究では,異種接合材料の界面破壊を支配するパラメータについて検討を行い,ミクロ階層構造を考慮した接着・接合界面強度の一般化クライテリオンを確立することを目的としている.
初めに理論的手法として,接合界面に存在する切欠き先端の応力特異性を求める一般解を導出した.次に,界面損傷モデルを用いた数値シミュレーションにより,界面破壊のクライテリオンについて明らかにした.続いて,界面のミクロ組織の変化と界面における機械的強度との関係について,遮熱コーティング材における界面酸化層の成長について検討し,酸化層成長モデルを提案した.次に,半導体デバイスで用いられている鉛フリーはんだ接合部について,熱時効によるはんだ接合界面における組織変化と疲労強度との関係について明らかにした.次に,紫外線暴露による高分子フィルムの劣化と高分子フィルム上に形成したセラミックス薄膜の付着強度との関係について明らかにした.続いて,界面強度試験及び評価方法を提案した.マルチステージピール試験法を提案し,銅薄膜の付着強度評価を行った.次に,エッジ部に圧縮とせん断力を負荷する界面混合モード破壊試験法を提案し,遮熱コーティング材の基材との界面強度評価へ適用した.次に,MEMS材料などで多用されている金属薄膜の付着強度について,ブリッジ型の試験片を用いた評価法を提案した.最後に,界面特性の非破壊評価として,圧電材の積層構造中を伝播するLove波の伝播特性に着目して,界面が損傷を受けるとLove波の位相速度が変化することを,理論的・実験的に明らかにした.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】50,180千円 (直接経費: 38,600千円、間接経費: 11,580千円)