Wada Laboratory
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研究テーマ
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Find a new lead-free piezoelectric materials for replacement of lead-based peizoelectric materials
- Research Project
For more than five decades, lead-based piezoelectric ceramics have been considered the most dominant piezoelectric materials because of their remarkable properties and relatively low cost of processing. This was mainly because of the existence of a morphotropic phase boundary (MPB) between two ferroelectric phases which results in their effective poling, and hence their outstanding electromechanical properties. In particular, Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT) has attracted a great deal of attention, with large piezoelectric and coupling coefficients and a high Curie temperature. Another great advantage of Pb-based compositions was found to lie in its high solubility for various elements, therefore providing the possibility of the formation of modified compositions with desirable properties. For example, the effects of La doping in PZT solid solutions have been extensively studied and found to improve the piezoelectric properties of PZT. Therefore, PZT-based compositions have been predominantly used for many applications and have been commercially promoted for a variety of devices, e.g., sensors, actuators, and transducers. However, because of the high toxicity of lead oxide, the use of the lead-based ceramics has caused serious lead pollution and environmental problems. Therefore, it is necessary to develop lead-free piezoelectric ceramics for replacing PZT. Recently, It was reported that the BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT) ceramics were formed morphotropic phase boundary (MPB). However, MPB is unclear in BF-BT ceramics. M. M. Kumar et al. reported that structure was changed from rhombohedral to cubic at 0.67BF-0.33BT composition. On the other hand, S. O. Leontsev and R. E. Eitel reported that structure was changed from rhombohedral to ferroelectric pseudo cubic at 0.75BF-0.25BT composition. The BF-BT ceramics is kind of replacement lead based piezoelectric materials, because BF-BT has a high Curie temperature1. Both research are reported that BF-BT ceramics has a high Curie temperature. However, BF-BT ceramics has a not enough piezoelectric property for replacement lead based piezoelectric metals. I’d like to define phase diagram in BiFeO3-BaTiO3 systerm. I will be make a three dimension phase diagram with temperature-, electric field-, and composition dependence. And, I’d like to investigate the piezoelectric property and energy conversion using the modification BiFeO3-BaTiO3 composition and Bi-based system. I’d like to design a new lead-free piezoelectric ceramics which may replace PZT ceramics.
- 担当学生：Sangwook Kim
ネッキング構造を持つチタン酸バリウムナノ粒子／ポリマー複合キャパシタの作製とその誘電特性
- 研究概要
本研究ではナノシュウ酸塩を用いた二段階熱分解法により作製したチタン酸バリウムを用いて高分散性スラリーを作製し、電気泳動法によって集積体を作製している。この集積体にネッキング処理を行い比誘電率の上昇を図っている。
- 担当学生：塚本 修平
複合バリウム源を用いたソルボサーマル法によるチタン酸バリウムナノキューブの合成
- 研究概要
異なる2種類の材料を組み合わせることで，特にその界面において、それぞれの材料を単独で用いた場合よりも特性が向上する、或いは新しい機能が発現すると報告されています。これまでに積層膜などにおいて、1次元的に界面が繰り返し連なった構造体が作製されているが、これに対し界面が3次元的に繰り返し連なった構造体を作製できれば更なる物性の向上が期待できると考えました。こうした構造体を作製するためには形状や粒径の揃ったナノキューブを合成する必要があり、本研究では代表的な強誘電体であるチタン酸バリウムに注目し、単分散のナノキューブの合成を行っています。
- 担当学生：天野 誠也
狭い粒度分布をもつ高分散ニオブ酸ナトリウムナノ粒子の高分子反応場を用いたソルボサーマル合成
- 研究概要
２つの常誘電体を組合わせ、常誘電体の間の界面が歪むことにより従来より物性が向上することが知られている。現在では１次元的に組み合わせたものが知られているが,さらに３次元的に組み合わせることにより界面密度が増加により物性が向上を期待できる。３次元的な構造を作るために粒度分布が狭く、さらに立方形であるナノ粒子が必要である。本研究では高分子ゲルのネットワークを利用することにより粒子同士の凝集を防ぎ、分散したナノキューブの合成を目指します。
- 担当学生：大嶋 賢太
構造傾斜領域パラレル構造を持つKNbO3/BaTiO3ナノ複合セラミックスのソルボサーマル合成
- 研究概要
新規誘電材料の開発として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のMPB組成における構造傾斜領域に注目した。構造傾斜領域とは、異なる結晶相がエピタキシャルに接合し、構造が徐々に徐々に変化する構造である。本研究では、２つの物質をヘテロエピタキシャルに接合させることで人工的な構造傾斜領域を持つ新規誘電材料を開発し、巨大な誘電特性の発現を目指す。
- 担当学生：川島 秀人
種々のチタン酸バリウム粒子を用いた強磁場堆積法による配向セラミックスの作製
- 研究概要
近年、環境に悪影響を及ぼす鉛を含まない圧電材料の性能向上が求められています。そのために本研究では、チタン酸バリウムの圧電特性を向上させるべく研究を行っています。チタン酸バリウムはグレインサイズを微細化し、特定方位へと配向させることで圧電定数d33が向上することが知られています。そこで本研究ではチタン酸バリウム微粒子を用いた強磁場電気泳動法により、グレインサイズが微細な配向セラミックスを作製し、その圧電特性の向上を目指しています。
- 担当学生：小林 英悟
ソルボサーマル法による歪み界面をもつナノ複合材料の作製
- 研究概要
優れた圧電、誘電特性をもつセラミックス材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)において、組成相境界(MPB)と呼ばれる組成領域が注目されている。このMPB領域では、2相間の界面で正方晶から菱面体晶へ徐々に構造が変化する構造傾斜領域が形成されることで生じる分極回転機構により、優れた特性が発現すると考えられている。そこで本研究では、２種類のペロブスカイト型構造の化合物を用いて界面の格子構造を歪ませることにより、人工的に構造傾斜領域をもつ材料の開発を行っている。
- 担当学生：廣瀬 吉進
ナノドメイン構造を有するBT-BMT-BF系圧電セラミックスの巨大電気歪の発現
- 研究概要
現在主流の圧電材料、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)は、環境に有害である鉛を含むため、非鉛への代替が急務であり、さらに、将来的にはPZT以上の圧電特性を持つ材料が必要とされています。本研究では、リラクサー材料BaTiO3-Bi(Mg0.5Ti0.5)O3 [BT-BMT]と強誘電体材料BiFeO3 [BF]の固溶体であるBT-BMT-BFセラミックスにおける、ナノドメインエンジニアリングにより、非鉛かつPZTを凌駕する圧電材料の開発を行っています。
- 担当学生：飯塚 涼
ソルボサーマル法による多層構造強誘電体セラミックスの作製と内部電場導入の検討
- 研究概要
チタン酸バリウム（BT）単結晶に電場を印加することでキュリー温度が向上することが報告されています。本研究では内部電場を導入したBTセラミックスを作製します。内部電場の導入方法として、BTをニオブ酸カリウムで挟み分極処理を施すことで揃った自発分極による電場をBT層に印加する方法を検討しています。これにより、BTの組成を変えることなくキュリー温度の向上を目指します。
- 担当学生：遠藤 祐一
ソルボサーマル法による絶縁／導電性複合セラミックスの作製とその誘電特性
- 研究概要
充放電が速く、多くのエネルギーを貯めることのできる高性能蓄電デバイスを開発するため、私は出力密度に優れるセラミックキャパシタに注目し、その静電容量を増大させる研究をおこなってきた。静電容量を増加させる手段の一つに、導電性粒子を誘電セラミックス層に高密度で分散させる方法が挙げられる。これは導電体微粒子の一つ一つが、内部電極として働くことで、キャパシタ数の増大、電極面積の増加、電極間距離の減少が見込め、試料の静電容量が増大することが期待できる。本研究ではこのような構造を持つセラミックキャパシタの実現を目指す。
- 担当学生：坂本 康直
ソルボサーマル法を用いたKNbO3多孔体セラミックスの作製と強誘電特性評価
- 研究概要
現在、自動車部品等に用いられる圧電材料は、更なるキュリー温度及び圧電d33定数の向上、材料の軽量化が求められている。そこで、本研究ではキュリー温度が高く、かつ密度が既存の材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の約1/2と軽量な、ニオブ酸カリウム(KN)の圧電d33定数の向上させる方法を検討している。d33定数の上昇方法として、本研究では材料の多孔体化させる方法を考案した。これにより、材料の更なる軽量化及び歪量の増加を目指す。
- 担当学生：深澤 主樹
DCバイアスフリーBST-BMT-NN 3元系誘電セラミックスの作製とその誘電特性 BST-BMT-NN: (Ba,Sr)TiO3-Bi(Mg,Ti)O3-NaNbO3
- 研究概要
研究概要：現在、様々な電子部品に積層セラミックコンデンサー(MLCC)が用いられているが、このMLCCには比誘電率が電場に依存するという問題がある。そこで我々は高い比誘電率を有し、それが電場に依存しない材料の開発を目指す。また、高電場での使用を想定し高い絶縁破壊電場を持つ材料を作製するのも重要な課題であり、これらを解決する手段として、我々はナノドメインに注目し研究を行っている。
- 担当学生：丸山 春樹
チタン酸バリウム-チタン酸ビスマスカリウム固溶体配向セラミックスの作製とその圧電特性
- 研究概要
非鉛の圧電材料は有鉛の物に比べ性能が大きく劣るが、<110>方位へと配向させたチタン酸バリウムの圧電定数は鉛系圧電材料に匹敵します。しかしながら圧電体そのものとして機能する限界温度（キュリー温度）は依然低いままとなっている為、キュリー温度の高い物質との混晶配向体を作製し、圧電性能の向上を行っています。
- 担当：2013年度修了生
ナノドメインエンジニアリングによるBi系セラミックスの作製と圧電特性の評価
- 研究概要
現在、世界的に環境への関心が高まる中、圧電材料の非鉛系への代替が求められている。非鉛系の圧電性能の向上のため、我々はナノドメインエンジニアリングという手法を提案してきた。
本研究では、リラクサーとして新規材料(Bi0.5K0.5)TiO3－Bi(Mg0.5Ti0.5) O3[BKT-BMT]を提案し、これに強誘電体BiFeO3[BMT]を固溶させることで、ナノドメイン構造を有するBKT-BMT-BFセラミックスを作製し、更なるキュリー温度と圧電定数の向上を目指す。 - 担当：2013年度修了生
ニオブ酸カリウム多孔体セラミックスの作製とセンサ性能評価
- 研究概要
ロボットや自動車等に使用されるセンサやアクチュエータの高性能化のためにはセンサの小型軽量化を行い、質量(密度ρ)あたりのセンサ性能(圧電ｇ33定数)の向上が必要です。そこで、数ある強誘電体の中で密度が一番低いニオブ酸カリウムセラミックスを多孔体化させることで、センサ特性の向上化を目指します。
- 担当：2012年度修了生
ナノドメインエンジニアリングによる無鉛圧電セラミックスの作製
- 研究概要
新規圧電材料は、環境に有害な鉛を含まない上で、従来の鉛を含む圧電材料チタン酸ジルコン酸鉛と同様、あるいはそれ以上の圧電性能を有することが望まれています。本研究では、セラミックスを構成している結晶粒内に分極域(ドメイン )の構造とその界面であるドメイン壁の密度を化学組成により制御するナノドメインエンジニアリングにより、従来の圧電材料の性能を凌駕する新規圧電材料の開発を行っています。
- 担当：2012年度修了生
強磁場電気泳動法を用いたチタン酸バリウム配向セラミックスの作製
- 研究概要
近年、環境にやさしい誘電・圧電材料としてチタン酸バリウム配向セラミックスが注目されている。そこで本研究では、2段階熱分解法によりチタン酸バリウムナノ粒子を作製する。このナノ粒子を用いて、高分散性のスラリーを作製し、12テスラの強磁場中で電気泳動法を用いてチタン酸バリウム配向セラミックスを作製する。
- 担当：2011年度修了生
ビスマスニオブ系ペロブスカイト型酸化物の単相化とその電気的特性
- 研究概要
圧電材料の多くはペロブスカイト型構造です。本研究ではペロブスカイト型構造のA-siteに酸素との共有結合性が大きいBiを、B-siteにイオン半径が小さく、価数が高いNbを含んだ新規圧電材料の開発を行っています。
- 担当：2011年度修了生
アルカリニオブ酸-チタン酸バリウム系セラミックスの合成とその誘電特性
- 研究概要
強誘電体として代表的なチタン酸バリウムとニオブ酸カリウムを使用して高温でも安定した誘電特性のセラミックスの作製、また界面制御などによる性能の向上を目標に、あらゆる方法で日々、研究を行っています。
- 担当：2011年度修了生
チタンアルコキシドを用いたチタン酸ストロンチウムナノキューブの合成と集積化
- 研究概要
10nm程度の立方体形状の単結晶であるナノキューブを作製し、そのナノキューブの結晶方位をそろえて３次元に集積化することにより単結晶と同様の物性であり界面構造を持つ集積体結晶を作製することが研究の目標です。この集積体結晶の界面にドーパントを添加することにより新たな物性をもつ材料として幅広い活躍が期待できると考えております。
- 担当：2011年度修了生
ナノ人工超格子キューブの作製と物性評価
- 研究概要
人工超格子の性質を3次元に応用するため、2種類の誘電体を用いて多層構造をもつ粒子を作製する研究を行っています。この研究により、誘電体において問題となるサイズ効果を解消するばかりでなく、更なる大容量化も期待できます。最終的には、これをナノオーダーでキューブ状にすることが目標です。
- 担当：2010年度修了生
チタン酸バリウム-ニオブ酸カリウム系微構造制御セラミックスの作製と圧電特性の評価
- 研究概要
チタン酸バリウムとニオブ酸カリウムを使用して色々なところで使えて性能が高いセラミックスを作製を目標に、いくつかの方法でセラミックスの微構造を制御してそれによる変化を調べ、性能を測定しています。
- 担当：2010年度修了生
ドメインエンジニアリングによるチタン酸バリウムセラミックス圧電特性向上
- 研究概要
代表的な非鉛系圧電材料であるチタン酸バリウムセラミックスに圧電定数を飛躍的に上昇させる技術であるドメインエンジニアリングを行い、鉛系圧電材料の圧電定数よりも高い圧電材料の作成を目指します。
- 担当：2010年度修了生
ユニモルフ型圧電材料を用いた圧電発電特性評価
- 研究概要
持続的なエネルギー社会を実現化するために、現在、環境発電(Energy harvest)、中でも特に圧電発電技術の開発が要求されています。また環境負荷の観点から、本研究では鉛系圧電材料を超える性能を有する非鉛系圧電材料の開発を目指しています。そこで、圧電発電に有効な材料定数を解析し、解析結果を踏まえた材料設計を行うことで、発電性能を向上させた材料の作製を現在行っています。
- 担当：2010年度修了生
ナノシュウ酸塩を用いた高分散性チタン酸バリウムナノ粒子の粒子構造解析とその誘電特性
- 研究概要
様々な粒径のチタン酸バリウムナノ粒子をシュウ酸塩の2段階熱分解法により作製しました。得られた粒子をX線回折装置、走査型電子顕微鏡観察、透過型電子顕微鏡観察などで評価し、ナノ粒子特有の粒子構造評価はSPring-8のビームラインBL02B2を用い、リートベルト解析によって行いました。
また、スラリーの誘電率測定と有限要素法シミュレーションを組み合わせた方法により、20℃での粒子の比誘電率を測定しました。 - 担当：2010年度修了生
チタン酸バリウム-ビスマス系ぺロブスカイト型酸化物セラミックスの作製とその圧電特性
- 研究概要
地球環境保全と実用材料開発の立場から、新規圧電材料は、鉛を含まない上で、従来の鉛を含む圧電材料Pb(Zr,Ti)O3と同様、あるいはそれ以上の圧電性能を有することが望まれています。本研究では、ビスマスを用いた新規圧電材料の開発を行っています。
- 担当：2009年度修了生
ペロブスカイト型酸化物ナノキューブの合成とその集積化
- 研究概要
近年、異なる2種類の物質を組み合わせることで、それぞれを独自に用いた時よりも物性の向上や新しい物性の発現があると報告されています。しかし、現在存在する物は2次元的な物であり、3次元的な物を作製することが出来れば更なる物性の向上が期待できると考えました。
このことから本実験では、強誘電体であるチタン酸バリウムと常誘電体であるチタン酸ストロンチウムを用い、これらを3次元的に集積化することを目標にしています。凝集した粒子を解くための分散剤や2種類の物質を選択的に並べるための架橋剤に有機物質を使用しており、様々な分野に視野を広げた実験を行っています。 - 担当：2008年度修了生
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