「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト

プロジェクトリーダー

azumamasaki

 

東 正樹

東京工業大学
フロンティア材料研究所
教授

研究体制

期間

(戦略的研究シーズ育成事業)
「革新的巨大負熱膨張物質の創成」

2015年4月〜2017年3月


「革新的環境調和機能性材料の創出」

2017年4月〜2019年3月


(有望シーズ展開事業)
「次世代機能性酸化物材料」プロジェクト

2019年4月〜2023年3月

構成

    • プロジェクトリーダー
    • 常勤研究員
    • 非常勤研究員
    • 兼任研究員
    • 研究補助員
    • 研究協力員 

実施場所

東京工業大学すずかけ台キャンパス内

KISTECレンタルラボ

TOPICS

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研究概要

 全てのモノがインターネットにつながるIoT社会の実現に向けて、電子デバイスの消費電力の低減や、環境負荷の小さい材料の開発が求められています。例えば、熱膨張という現象は固体・液体・気体に共通する物質の性質ですが、10㎝の鉄の棒は、温度が1℃上がるごとに1.2μm膨張していきます。小型・高密度化が進む現在のLSIの配線は10nmオーダーであり、熱膨張の制御なしには精度を保つことができません。このようなことから他の材料の熱膨張を吸収する「負」熱膨張材料(温度が上昇すると収縮する材料)の研究が近年活発化しています。

 戦略的研究シーズ育成事業(「革新的巨大負熱膨張物質の創成」及び「革新的環境調和機能性材料の創出」)における4年間では、低消費電力不揮発性メモリ材料につながる強磁性強誘電体や、風や振動から電気エネルギーを生む圧電発電のための非鉛圧電体、外気温の変化から生じる熱歪みを吸収する負熱膨張材料などの、革新的な環境調和機能性材料を研究してきました。中でも負熱膨張材料については、企業との連携により安定な材料の供給ができる体制を整え、産業化への歩みを進めたところです。

 本プロジェクトでは、これらの技術的シーズをさらに発展させ、1.巨大負熱膨張材料の産業化と、樹脂複合体による熱膨張制御技術の確立と普及、2.強誘電強磁性体を用いた超低消費電力磁気メモリの実現、3.非鉛圧電体・反強誘電体の開発、の3つの目標に向かって研究を展開していきます。

研究内容

1.巨大負熱膨張材料の産業化と、樹脂複合体による熱膨張制御技術の確立と普及

 熱膨張は物質共通の性質ですが、構造材料に対して、位置決めのずれ、異種材料接合の剥離、という深刻な問題を起こします。半導体製造や光通信などの精密な位置決めが必要とされる場面では、熱膨張抑制のための高度空調に膨大なエネルギーが浪費されていますし、金属・セラミックス・樹脂などの熱膨張係数の違いは、異種接合界面の剥離や断線といった深刻な障害につながります。この問題は、パワー半導体や3次元集積回路素子(3D IC)といった先端電子デバイスや、熱電変換、燃料電池などのエネルギー・環境技術において、喫緊の課題と認識されており、技術革新には熱膨張制御が不可欠です。

 プロジェクトリーダーらが開発したBiNi1-xFexO3-178ppm/Kの巨大な負熱膨張を示し、ビスフェノール型のエポキシ樹脂にわずか18w%分散させることで室温近傍でゼロ熱膨張を実現できました。またポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂に対しても熱膨張抑制効果を持つことを確認しています。他にも多くの企業が興味を示しており、試験的な製造委託の準備を開始していることから、産業化や大型の共同研究へつながることを期待しています。

 さらに、温度履歴を解消したBiNi1-xSbxO3や、強誘電転移による超巨大負熱膨張物質Pb1-xBixVO3といった、戦略シーズ事業において開発した材料、さらにその改良版も順次産業化を行っていくこととしています。

BiNi0.85Fe0.15O3の負熱膨張

2.強誘電強磁性体を用いた超低消費電力磁気メモリの実現

 戦略シーズ事業において、強磁性強誘電体BiFe1-xCoxO3薄膜を用いた電場印加磁化反転の観察に成功しました。HDDMRAMなどの磁気メモリが、コイルに電流を印加して発生した磁場で磁気情報の書き込みを行うのに対し、電場印加で磁化を反転できれば消費電力の劇的な低減が可能です。現状では電場書き込み、磁化読み取りとも、プローブ顕微鏡を用いていますが、デバイス化のためには、電極を用いた電場印加と、ホール素子などのセンサーによる磁気読み取りが必要となります。NANOBICの微細加工装置の利用等により、単一強誘電ドメイン化を行い、磁気メモリデバイスとしての動作を実証していきます。

BiFe0.90Co0.10O3/GdScO3薄膜の分極反転前後のPFM像とMFM像。
強誘電ドメインの71°スイッチングに伴い、磁化の面外成分が反転していることがわかる。

3.非鉛圧電体・反強誘電体の開発

 戦略シーズ事業の4年間において、鉛系圧電体PZTを模したモデル物質BiFe1-xCoxO3を開発し、PZTの巨大圧電応答の起源とされている分極回転を起こすことと、それにより圧電特性が増加することを確認しました。現状では大きすぎる構造歪みのために電気機械結合が弱く、圧電係数はPZT1/6程度に留まっています。これは、構造歪みの指標であるc/a1.26と巨大な正方晶歪みを持つBiCoO3を、端成分とするためです。戦略シーズ事業においては、正方晶歪みがPbTiO3と同程度のNa1/2Bi1/2VO3K1/2Bi1/2VO3の開発にも成功しています。これらと菱面体晶ペロブスカイト化合物BiAlO3BiFeO3の固溶体を作ることで、PZTに匹敵する圧電応答を示す非鉛圧電体の開発を目指します。

 また、強誘電体の大きな応用先として、蓄電用のキャパシタがありますが、電気自動車のインバーター等、スペースの制限があるところではエネルギー密度を高める必要があります。反強誘電体が蓄えるエネルギーは強誘電体よりも大きく世界的にも注目されている技術です。非鉛圧電体開発の経験を活かし、非鉛反強誘電体蓄電デバイスの開発を行っていきます。

BiFe1-xCoxO3薄膜の結晶構造変化と圧電特性

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