KAKENHI (Grants-in-Aid for Scientific Research) -
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逆バイアス効果が切り拓く蓄エネルギーセラミックスのフロンティア
Grant number：22K18308 2022.6 - 2026.3
科学研究費助成事業 挑戦的研究(開拓)
保科 拓也, 谷口 博基, 安井 伸太郎
Authorship：Coinvestigator(s)
急激な加速を続けるエネルギー需要に応えるために蓄エネルギー材料の性能革新が必要不可欠である。その中でも蓄エネルギーセラミックスは、高温・高電圧下において優れた安全性と信頼性を有する材料として強く期待されている。本研究では酸素四面体を主要な構成要素とするABO3+nMO2系化合物に着目し、電場印加に伴って誘電率が増加するユニークな非線形誘電応答（逆バイアス効果）を示す新規物質系を開拓する。同化合物系における反強/フェリ誘電性のメカニズムの解明に取り組み、それによって得られる知見に基づいて、従来材料を凌駕する高蓄エネルギー密度と急速充放電性を共に備えた革新的な蓄エネルギーセラミックスを創製する。
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Grant number：20H05879 2020.11 - 2025.3
科学研究費助成事業 学術変革領域研究(A)
谷口 博基, 久保園 芳博, 田中 秀明, 中島 清隆, 武田 博明, 佐藤 友子
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\175240000 （ Direct Cost: \134800000 、 Indirect Cost：\40440000 ）
現在、情報通信やパワーエレクトロニクス技術の飛躍的な向上、そして環境に優しく持続可能な社会の構築、これらの一見両立が困難なニーズが同時に高まる中、新材料開発における革新的展開が強く求められている。それに対して「超秩序構造」の基礎学理は、ミクロな構造に対して驚異的な機能性を付与する材料設計の新概念であり、個々の構成元素の特性に依存した従来の材料設計をアップグレードするものである。本計画研究では、異分野間の有機的かつ相乗的な連携の下、「超秩序構造」という新たな材料設計コンセプトによって、優れた材料特性と高い環境親和性を同時に実現する革新的なエマージェント物性の創出に取り組む。
本研究課題では、誘電物性、量子物性、電子伝達特性に着目し、高誘電率高信頼性キャパシタや光誘電マンマシンインターフェイスの基礎となる誘電体マルチチューナビリティの創出、新奇な量子的絶縁性や超伝導特性に基づく未来エネルギー材料の創製、再生可能資源を活用した次世代の触媒反応系の構築、そして光合成反応における高効率電子伝達機構の完全理解の実現に向けて、優れた機能性を備えた超秩序構造の探索と設計、そして超秩序構造の機能性－構造相関の究明に取り組んでいる。2020年度は次に示す項目を実施した。①異価数元素複合置換ルチル型TiO2の単結晶育成と誘電特性評価/ワイドギャップアルミネートBa[(Al0.99Ga0.01)0.97Zn0.03]2Oにおける光誘電特性評価/間接型強誘電性アルミネートソーダライトの単結晶育成、②グラフェン１層を用いた新規デバイスの作製と動作メカニズムの解明と新規フェナセン型有機物質のトランジスタ特性の評価、③酸化物イオン伝導体の格子酸素を利用した新たな固体触媒の創出に向けた、欠損（立方，六方，層状）ペロブスカイト型化合物、Ca2M2O5 (M=Al, Fe, Mn)、およびBaAl2O4における触媒活性評価、④電子伝達タンパク質であるフェレドキシン（Fd）の光合成反応における作用機序解明に向けた、Fd中の鉄の蛍光X線ホログラムの観測と測定系および測定法の改良、⑤マイクロ引き下げ法およびチョクラルスキー法によるSr置換ランガサイト結晶の育成と熱応力の異方性の評価、⑥シリカガラスの永久高密度化のメカニズム解明に向けた、ダイヤモンドアンビル装置による高圧下その場時分割X線回折測定。研究代表者の所属する名古屋大学においては、特に (Nb0.5In0.5)0.01Ti0.99O2、(Nb0.5In0.5)0.01Ti0.99O2、(Nb0.5In0.5)0.01Ti0.99O2の単結晶をFZ法によって育成し、巨大分極応答性超秩序構造の創出に重点的に取り組んだ。
2020年度、様々な組み合わせの異価数元素置換を施したルチル型TiO2単結晶の育成に成功し、さらに広い温度領域にわたる精密な誘電測定を実施することによって、置換元素と物性の相間を明らかにすることに成功した。さらに、Al2O3包埋下においてポストアニールを施したpost-annealed単結晶においては置換元素と物性の系統性に関して当初の予想を超えた顕著な変化を見出し、今後の研究の進め方と巨大分極応答性超秩序構造の設計指針に関する極めて重要な情報を得ることが出来た。これらの成果に基づいて次年度以降の研究を展開することで、本研究の加速が期待される。
2020年度に得られた結果は、異価数元素の微量共置換を施したルチル型TiO2における組成の精密分析の必要性を示している。したがって2021年度は、(Nb0.5In0.5)0.01Ti0.99O2、(Nb0.5In0.5)0.01Ti0.99O2、(Nb0.5In0.5)0.01Ti0.99O2のas-grown単結晶およびpost-annealed単結晶に対して蛍光Ｘ線分析および二次イオン質量分析法(SIMS)を実施し、ポストアニールが組成に及ぼす影響を明らかにする。また、SPring-8において蛍光Ｘ線ホログラフィを実施することによって異価数元素の微量置換によって生じる局所構造の究明に取り組み、得られた結果と誘電測定の結果を比較することによって、超秩序構造－誘電特性相関に関する知見を得る。一方、光誘電応答性超秩序構造の設計・創出にも並行して取り組む。具体的には、充填トリジマイト型のワイドギャップアルミネート化合物であるBaAl2O4に着目し、系統的な異価数元素の微量置換を施した高密度焼結体を合成し、光照射下における誘電測定を広い温度領域（300K~700K）と広い周波数帯域（10^2Hz~10^7Hz）において実施する。それによって、光照射による誘電率変化（光誘電効果）を示す新しい組成物の探索に取り組む。さらに得られた光誘電効果の周波数分散および温度変化を解析することによって光誘電応答性超秩序構造の設計指針に関する知見を得る。 -
Supervision and research support based on a platform for hyper-ordered structures science
Grant number：20H05878 2020.11 - 2025.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
Authorship：Coinvestigator(s) Grant type：Competitive
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Grant number：18KK0135 2018.10 - 2021.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
Nakajima Kiyotaka
Authorship：Coinvestigator(s) Grant type：Competitive
We have developed a new reaction system for the production of furan dicarboxylic acid and its alkyl esters from glucose using heterogeneous catalysts. The combination of materials science and catalytic chemistry will enable the design of new catalytic materials and catalytic reactions, while theoretical calculations for clarifying reaction dynamics with catalytic active site and substrate/intermediates will support experimental results to be well-understood at the molecular level. Acetal protection strategy will control side reactions and contribute predominantly to the selective production of target furan compounds in concentrated solutions. The technologies developed in this research can be beneficial for the industrial implementation of the furan compounds in the production of biobased polymers.
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光誘電効果のメカニズム解明と新しい光機能性誘電体素子材料の創出
2018.6 - 2021.3
科学研究費補助金 研究成果公開促進費 (研究成果公開発表)
谷口 博基
Authorship：Principal investigator
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Development of novel photo-dielectric materials
Grant number：18K18855 2018.6 - 2021.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Taniguchi Hiroki
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\6240000 （ Direct Cost: \4800000 、 Indirect Cost：\1440000 ）
We have explored novel dielectric materials with the photo-dielectric effect, the dielectric permittivity of which varies with photo-irradiation, and have studied a mechanism of the photo-tunability. Through extensive investigations, we have found considerable enhancement of permittivity in reduced LaAlO3 under the photo-irradiation, and have clarified that oxygen vacancies play an important role in the observed photo-dielectric effect. In the modified BaAl2O4, which was subjected to slight element-substitution, furthermore, we have found that the dielectric relaxation of the photo-dielectric effect around 107 Hz. By analyzing the observed dielectric relaxation, it has been clarified that the photo-dielectric effect stems from the polarization response of photo-excited carriers trapped at the multiple in-gap states.
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材料科学および理論科学の融合による高性能なバイオマス変換用固体触媒の創生
2018.4 - 2021.3
科学研究費補助金
中島 清隆
Authorship：Coinvestigator(s)
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材料科学および理論科学の融合による高性能なバイオマス変換用固体触媒の創生
2018.4 - 2021.3
科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金（国際共同研究強化）
中島 清隆
Grant type：Competitive
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データ駆動型材料探索に立脚した新規半導体・誘電体の加速的開拓
2017.4 - 2023.3
科学研究費補助金 CREST
大場 史康
Authorship：Coinvestigator(s)
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データ駆動型材料探索に立脚した新規半導体・誘電体の加速的開拓
2017.4 - 2023.3
科学研究費助成事業 CREST
大場 史康
Grant type：Competitive
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ユビキタス酸化物による環境にやさしい機能性誘電体の創出
2016.4 - 2020.3
科学研究費補助金 若手研究(A)
谷口 博基
Authorship：Principal investigator
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Development of eco-friendly functional dielectric materials with ubiquitous oxides
Grant number：16H06115 2016.4 - 2020.3
Taniguchi Hiroki
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\24830000 （ Direct Cost: \19100000 、 Indirect Cost：\5730000 ）
Deficient layered-perovskite-type (Bi1-xLax)2SiO5 have been systematically synthesized and examined to develop new functional dielectric materials in silicates. In this project, we have finally achieved at x = 0.1 large relative permittivity greater than 100 with excellent temperature stability below 200 ppm/K over a wide temperature range from 100 ~ 600 K (< 30ppm/℃ in commercial regulation 20 ~ 125℃). Also conducted is systematic syntheses and examinations of aluminate-sodalite-type A8[AlO2]12(XO4)2 with A = Ca, Sr and X = W, Mo, S to develop new functional dielectric materials in aluminates. In this project, we have clarified phase diagrams in these systems and discovered several novel properties there, including an improper ferroelectricity, a strain glass state, a re-entrant structural phase transition, and anti-ferroelectricity. Furthermore, we have also achieved an excellent pyroelectric energy harvesting ability, which is better than PZT.
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Development of Innovative photoresponsive dielectric materials
Grant number：15K14120 2015.4 - 2018.3
Taniguchi Hiroki
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\3900000 （ Direct Cost: \3000000 、 Indirect Cost：\900000 ）
Conducted in the present study is the development of new functionality which can control dielectric properties by photoirradiation. We have discovered the instantaneous photo-dielectric effect in La(Al0.99Zn0.01)O3, the 1% of Al-sites in LaAlO3 are substituted by Zn ions, where the dielectric permittivity increases under the photoirradiation and immediately recovers to the initial value when the photoirradiation ceases. The persistent photo-dielectric effect has furthermore been found in Ba(Al0.97Zn0.03)2O4, in which the increase of permittivity remains after switching the photo-irradiation off. The results of the present study open a new realm of light-matter interactions and form the foundation for the development of innovative photo-electric devices.
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Study of soft-mode and chemical-bonding in ferroelectric phase transition by collaboration between first-principles calculations and precise experiments
Grant number：24560833 2012.4 - 2015.3
MORIWAKE Hiroki
Authorship：Collaborating Investigator(s) (not designated on Grant-in-Aid) Grant type：Competitive
In this study, we tried to reveal relationship between soft-mode and chemical-bonding in ferroelectric phase transition by collaboration between first-principles calculations and precise experiments. We find out the mechanism of giant permittivity of BaTiO3 using newly developed finite temperature simulation. The origin of this giant permittivity is presence of soft-mode with very low potential barrier in BaTiO3. Our findings provide us with an important insight for high permittivity materials design.
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Development of Eco-friendly Ferroelectric Oxides with Oxygen-tetrahedra
Grant number：24760543 2012.4 - 2015.3
TANIGUCHI Hiroki
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\4550000 （ Direct Cost: \3500000 、 Indirect Cost：\1050000 ）
The present study has succeeded, through the elucidation of the mechanism of ferroelectricity in the layered-silicate-type new ferroelectric oxide Bi2SiO5, to develop the new materials-designing-principle for eco-friendly ferroelectric oxides with oxygen-tetrahedra, which is the most abundant form of oxides in the earth's crust. Based on fundamental knowledge obtained in the present study, the development of new functional oxides were conducted in stuffed-tridymite-type and stuffed-sodalite-type oxides. In these oxides, the improper-ferroelectricity, which does not show typical steep increase of permittivity around the ferroelectric phase transition temperature, was successfully controlled, to achieve, particularly in the stuffed-sodalite-type oxides, the excellent performance for pyroelectric IR-sensors that come up with that in the current material, PZT.
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Study on the giant ferroelectric phenomenon by corroboration between first-principles calculations and Raman scattering
Grant number：21560708 2009 - 2011
MORIWAKE Hiroki
Authorship：Collaborating Investigator(s) (not designated on Grant-in-Aid) Grant type：Competitive
Aim of this study is to reveal the atomistic mechanism of the giant ferroelectric phenomenon by corroboration between first-principles calculations and precise experiments. Using the method which was developed by this study, we revealed ferroelectric structure of CdTiO3.In this study, we determined ferroelectric soft-mode and its displacement vector of CdTiO3.Using this information we determined its ferroelectric structure.
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Perovskite engineering : design of novel lead-free ferroelectric by the control of the chemical bonds
Grant number：20246098 2008 - 2010
ITOH Mitsuru
Authorship：Collaborating Investigator(s) (not designated on Grant-in-Aid) Grant type：Competitive
Strategy for lead-free ferroelectric and piezoelectric materials with perovskite-type structure was obtained based on the new idea based on the chemical bonds and crystal structures. As a result, many candidate materials were found out as well as new interpretation on the mechanism for the evolution of known ferroelectric materials. Thin films of novel compounds, which are not available by the conventional solid state technique, were also successfully obtained by the pulsed laser deposition technique.
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不均一性に基づく機能的誘電特性の発現機構解明と制御
Grant number：18840017 2006 - 2007
若手研究(スタートアップ)
谷口 博基
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\2830000 （ Direct Cost: \2830000 ）
本年度は、不均一性に由来する巨大応答物性の起源を相転移におけるディスオーダー効果の観点から解明すべく、特にソフトモード型強誘電体として知られるABO_3型強誘電体の臨界挙動を、共焦点顕微ラマン分光法によって研究した。その結果、量子揺らぎが相転移物性を支配すると考えられてきた量子誘電体SrTiO_3において酸素同位体置換によって理論的な予測を実証する理想的なソフトモード型の量子相転移を誘起することを明らかにし、更にその量子臨界点において新奇な相分離状態を発見した。更に、ソフトモード型強誘電体におけるディスオーダー効果を正確に理解する為の基礎となる、典型的な均一系ソフトモード挙動を示す物質を物質合成の観点から新たに探索し、その結果、現在まで複雑な相転移挙動を有すると考えられそのメカニズムが未解明であったCdTiO_3において、典型的なソフトモードの臨界挙動を新たに発見し、CdTiO_3極めてシンプルな二次相転移を有する典型的ソフトモード型強誘電体であることを発見した。これまで強誘電体単結晶における分光学的研究は、相転移後に発生する複雑なドメイン構造によって精密な研究が困難な例が多く、これが物理的本質の理解を妨げていたが、本研究では共焦点法の応用によってこれを克服し、物性研究における分光学的研究の技術を大きく進展させた。更にこの技術を、強誘電体ガラスの結晶化過程の研究にも適用し、新規高屈折率ガラス材料として期待されているBaTi_2O_5ガラスの逐次結晶化過程を解明した。
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量子常誘電体における量子揺らぎダイナミクスの研究
Grant number：04J09019 2005 - 2006
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費 特別研究員奨励費
谷口 博基
量子常誘電体SrTiO_3が示す同位体誘起強誘電性は、量子揺らぎの制御による強誘電性の誘起に成功した初めての例として非常に多くの注目を集めている。同位体誘起強誘電性のメカニズムを解明することは、これまで熱揺らぎの範疇で議論されてきた誘電物性において、量子揺らぎと強誘電性の協力的相互作用の拮抗という新たな図式を与えることになり、極めて意義深い。
本研究では平成16年度において、^3He蒸発冷凍光学セルを用いた極低温光学測定系を構築し、600mkに至るまでの極低温光散乱測定を可能にした。その結果、低温領域において同位体置換による強誘電性ソフトモード振動数の低下を観測し、同位体誘起強誘電性の誘起機構としてソフトモードに対する質量効果を示した。同時に、前駆現象として局所対称性の低下した非強誘電性の領域(LSBR)の成長を明らかにし、同位体置換したSrTiO_3の誘電物性において系の不均一性が本質的な役割を担っていることを示した。その結果に基づいて本年度は、臨界置換率直下の同位体置換試料を作成し、ソフトモードのダイナミクスをラマン散乱測定によって観測することで、同位体誘起強誘電性の発現初期段階を系の不均一性との関連から調べた。その結果、同位体誘起強誘電性の発現初期過程においてソフトモードが局所的に凍結することによって局所的な強誘電性の領域が発生することを明らかにした。これによって、"ソフトモードが凍結しない量子常誘電性⇒ソフトモードの非一様な凍結による局所強誘電性⇒ソフトモードの一様な凍結による長距離強誘電性"という酸素同位体誘起強誘電性の全体像を示した。