PZT圧電セラミックスの本質的な圧電性を解明－半世紀以上の未解決課題に新たな光－

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PZT圧電セラミックスは、その優れた圧電特性から、胎児や心臓病の超音波検査、建築物の内部劣化診断、超音波洗浄、自動車のセンサー技術など、さまざまな分野で利用されている。さらに、MEMSデバイスや単原子レベルでの超精密位置操作を行う次世代技術にも応用されている。

しかし、1952年に初めて報告されて以来、MPB（モルフォトロピック相境界）近傍におけるPZTセラミックスの巨大な圧電応答の正確な起源は未だに解明されていなかった。我々は、SUS基板の熱膨張による圧縮応力とLaNiO₃の安定成長面（100）を活用し、正方晶の分極軸であるc軸方向に配向したMPB組成PZT薄膜の作製に成功した。このc軸配向膜では、ドメイン反転による外因的な圧電効果が存在しないため、結晶の本質的な圧電効果を解明できた。実験の結果、MPB組成のPZT単結晶の圧電定数d33は46.3 ± 4.4 pm/Vであることが判明し、第一原理計算によって予測された室温での圧電定数50～55 pm/Vという数値とも一致した。さらに本研究は、MPB近傍でのドメイン効果が巨大な圧電応答において中心的な役割を果たすことを示唆している。また、薄膜応用におけるドメイン効果の重要性が認識され、MEMSデバイスなどに用いられるPZT薄膜材料の設計に新たな指針が示された。

本研究は、1952年以来の謎であったPZTの巨大な圧電性の起源に対する答えを提示するものであり、圧電材料分野における画期的な成果である。この発見により、圧電材料の設計や新たな応用可能性が大きく広がることが期待される。今後は、この研究で得られた知見を基に、さらなる高性能圧電材料の開発が進むとともに、ドメイン効果を有効に発現できる材料設計によって、MEMSデバイスやセンサー技術など、次世代のエレクトロニクス分野における応用が一層加速すると期待されている。この発見は、強誘電材料の研究において新たなベンチマークを打ち立て、MEMSデバイスなどの分野で圧電薄膜の革新的な応用に繋がる研究への発展が期待されている。

この成果は、米国化学学会の専門誌「ACS Applied Electronic Materials」に受理され、8月28日にオンライン版で公開されている。

論文題目：「Intrinsic piezoelectricity of PZT」
著　　者：Desheng Fu, Seiji Sogen, Hisao Suzuki
掲 載 誌：ACS Applied Electronic Materials
DOI: https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c00862

Paper entitled “Intrinsic piezoelectricity of PZT” has been accepted for publication in ACS Applied Electronic Materials.

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論文”Intrinsic piezoelectricity of PZT”はACS Applied Electronic Materialsに掲載可、高く評価された。Preprint PDF in arxiv.

Commented by reviewer “…At present, not all researchers in the material and chemistry fields do not go back to the principle of the measurement and basic principle of the phenomena. However, the authors seem to be sticking to the basis and they applied their sophisticated experimental techniques to the well-defined sample, c-axis oriented PZT single-phased film. As a result, they might have paved the way for solving one of the long-standing unsolved problems in the ferroelectric/piezoelectric field. The reviewer expect that this paper is regarded as a benchmark in the piezoelectric materials field and it will be referenced for a long time in the future…”

（現在、材料および化学分野のすべての研究者が測定の原理や現象の基本原理に立ち返っているわけではありません。しかし、著者らはこれらの基礎にこだわり、洗練された実験技術を用いて優れたc軸配向PZT単相膜を作製しました。その結果、彼らは強誘電体/圧電材料分野における長年未解決の問題の一つを解決する道を切り開いたのかもしれません。査読者は、この論文が圧電材料分野のベンチマークと見なされ、今後長期にわたって参照されることを期待しています。）

2023年度修士論文発表会

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2月14日（水曜日、晴）、修士論文発表会は無事に終了しました。藤澤君、西本君、彦山君、お疲れ様でした。よく頑張りました。三年間ありがとう！これからのご活躍を期待しています。

2023 year-end party

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2023/12/21日（木曜日）、大掃除の後に3-306室で忘年会をやりました。インドからの留学生とイスラン教の留学生の食事制限で店探しはほぼ無理のため、スーパーで食材を調達し、研究室の隣の広い部屋をやりました。この状況はしばらく続きそうです。（2023/02/25,　追記）

Welcome party

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Welcome three new members to our team during this golden autumn season and hope that you will reap research results like the golden autumn when you graduate.

吉田君は「学長表彰」に表彰

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吉田君は、　”The 14th Japan-China Symposium on Ferroelectric Materials and Their Applications”で『Best Poster Presentation Award』の受賞により「学長表彰」に表彰されました。おめでとうございます！

Paper “Fluorination Induced Asymmetry in Vacancy Ordered Brownmillerite: A Route to Multiferroic Behavior” has been accepted by Chemistry of Materials

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24-Jan-2023, “Fluorination Induced Asymmetry in Vacancy Ordered Brownmillerite: A Route to Multiferroic Behavior” (P. Aich, S. Das, S. Halder,C. Meneghini, D. Fu,V. Siruguri, S. Kaushik,M. Itoh, T. Saha-Dasgupta,S. Ray) has been accepted by Chemistry of Materials (IF=10.508).

吉田君は日中強誘電体応用会議(CJFM-14)において「Best Poster Presentation Award」を受賞

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吉田君は日中強誘電体応用会議（CJFMA-14)において「Best  Poster Presentation Award」を受賞しました。「Japan-China Symposium on Ferroelectric Materials and Their Applications」(CJFMA)は日本と中国の間に電子材料の主幹材料である強誘電体材料における基礎・応用の最新研究成果を発表・議論する国際会議です。毎回、大学・研究所・産業界から200人を超える研究者が参加されます。会議では、招待講演とポスター発表のみが設定されています。研究成果と発表の優れたポスター発表者に対して厳格な審査により「Best Poster Presentation Award」が授与されます。今回、受賞者は四人となり、吉田和仁君はその一人でした。吉田和仁さ君の発表題目は「Low-temperature deposition of transparent PZT thin film on glass substrate with giant piezoelectric response」でした。次世代スマートの透明な電子デバイス用のPZT薄膜に関する系統・開拓的研究成果が高く評価されたと思います。受賞者名前がCJFMA-14のHPに掲載されています。

Online-publication: Phase Evolution and Local Piezoelectric Response of Sn-Doped BaTiO3 Ceramics

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7月23日に上海大学顧輝教授らとの共同研究成果の論文がオンライに掲載された。

題目：Phase Evolution and Local Piezoelectric Response of Sn-Doped BaTiO3 Ceramics

著者：Zuojian Jiang, Jiayan Huang, Renchen Yuan, Ning’an Xu, Ying Jiang, Jiye Zhang, Faqiang Zhang, Juanjuan Xing, Hui Gu, Desheng Fu

雑誌：physica status solidi (a)

DOI:https://doi.org/10.1002/pssa.202200344

Welcome new members

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新学年に、B4の三人が修士課程に進学しました。また、新たに4人の卒研生が研究室に配属されました。研究室の仲間が増えたことで研究室の配置も大きく変わりました。皆一緒に頑張りましょう。

機械学習と第一原理計算による27.6％の高い変換効率と熱安定性を示す非鉛ペロブスカイト太陽電池材料予測の研究成果がAdvanced Scienceにオンライ出版

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復旦大学の張浩準教授らとの共同研究で、27.6％の高い変換効率を示す非鉛有機無機ペロブスカイト太陽電池材料の予測に成功しました。機械学習と第一原理の精密計算の組み合わせにより180038の物質から高い変換効率と熱安定性を有する4つの非鉛ペロブスカイト太陽電池材料を効率よく予測できました。今回の究成果は非鉛有機無機ペロブスカイト太陽電池材料の開発に新たな材料設計方法を示すと同時に、材料開発の新たな展開が期待されます。本研究成果は、Discovery of Lead‐Free Perovskites for High‐Performance Solar Cells via Machine Learning: Ultrabroadband Absorption, Low Radiative Combination, and Enhanced Thermal Conductivities と題して2021/12/14日付でWiley社Advanced Science(IF=16.806)にオンライ公開されました。

“Discovery of Lead-free Perovskites for High-performance Solar Cells via Machine Learning: Ultrabroadband Absorption, Low Radiative Combination and Enhanced Thermal Conductivities” has been accepted by Advanced Science (IF=16.806)

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復旦大学の張浩准教授らと鉛フリーペロブスカイト高性能太陽電池材料の予測に関する共同研究成果が Advanced Science(IF=16.806)に採択された。

“Discovery of Lead-free Perovskites for High-performance Solar Cells via Machine Learning: Ultrabroadband Absorption, Low Radiative Combination and Enhanced Thermal Conductivities”, Xia Cai,Yiming Zhang, Zejiao Shi, Ying Chen, Yujie Xia, Anran Yu, Yuanfeng Xu, Fengxian Xie, Hezhu Shao, Heyuan Zhu, Desheng Fu, Yiqiang Zhan and Hao Zhang. (DOI Open access)

 

空気コンデンサで結晶変形を超精密に測定

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圧電体は、胎児・心臓病等のエコ検査、建物等の内部劣化の調査、超音波洗浄、漁群探知、原子位置の操作できる超精密位置制御、カメラ―の手振れ補正などに広く利用されている。圧電体に電圧を印加すると、結晶変形が生じる。例えば、時計・共振器などに利用されている水晶のX軸に1Vを印加すると、一番小さいLiイオン半径（59pm)より一桁以上小さい変形（2.4pm）が発生する。圧電材料の電場による変形を解明することは、材料特性の解明・材料開発のみならず、圧電素子の応用においても極めて重要である。これまで圧電体の変位が一般的に高価なレーザー干渉計などで評価される。それらの方法はpmオーダーの変位を測定できる一方、ミクロオーダーまでの広範囲な変位を測定するには難しい。今回、我々は安価な空気容量変位センサーでレーザー干渉計の分解能を凌駕する分解能をもち、かつ、pmオーダーからμmオーダーまで広い範囲の変位とその温度変化を容易に測定できるシステムの開発に成功した。研究成果は高く評価され、研究に示されている測定方法も圧電定数の測定基準（査読のコメント：“This method can potentially be a measuring standard for the piezoelectric constant via converse piezoelectric effect”）として期待されている。本研究成果は、米国物理学協会AIPのJ. Appl. Phys.129号に4月14日付でオンライ掲載された。（ Desheng Fu and Eiki Kakihara,“A capacitive displacement system for studying the piezoelectric strain and its temperature variation”, J. Appl. Phys. 129,144101(2021). ）

 

Article, “A capacitive displacement system for studying the piezoelectric strain and its temperature variation,” was published online today

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今日（04-14-2021）、論文”A capacitive displacement system for studying the piezoelectric strain and its temperature variation,” がオンライ掲載されました。オンライから15日間にDOIのサイトから無料downloadできます。まだ、採択された原稿はこちらからdownloadできます。aRxivからもできます。

2021年度新歓迎会・誕生日会

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2021/04/12（月曜日、晴）、春の爽やかなお昼に新メンバーへの歓迎会とB4のお二人の誕生日会をやりました。伊藤君、彦山君、お誕生日おめでとう！お昼はシンプルですが、楽しかったです。これからも楽しく研究をやりましょう。

Welcome new members

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花満開の春に修士二人、4年生四人を研究室に迎えることができました。大変嬉しいです。

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大林寺桃花＿【唐】白居易

人間四月芳菲尽、山寺桃花始盛開。

長恨春帰無覓処、不知転入此中来。

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