- ナノ秒
- 10億分の1秒です。
東工大ニュース
東工大ニュース
公開日:2011.12.13
高輝度光科学研究センター(JASRI)、東京工業大学、物質・材料研究機構(NIMS)及び京都大学は、動作の切り替え(スイッチング)の更なる高速化を可能にすると期待されている、"ナノドメイン" と呼ばれる微小領域を有する新しい圧電体薄膜が200ナノ秒(*1、1千万分の2秒)という超高速でスイッチング可能であることを世界で初めて確認しました。
圧電体薄膜(*2)は、電気信号により構造が変化する性質を活かして、インクジェットプリンタで使用されるマイクロデバイス(Micro Electro Mechanical Systems、MEMS*3)等の動力源として利用されています。現在の圧電体薄膜では、スイッチング時間を十分制御できていません。高速のスイッチングが実現できれば産業応用への広がりやより高性能な製品の開発を期待できます。
高輝度光科学研究センター(JASRI)、東京工業大学、物質・材料研究機構(NIMS)及び京都大学は、動作の切り替え(スイッチング)の更なる高速化を可能にすると期待されている、"ナノドメイン" と呼ばれる微小領域を有する新しい圧電体薄膜が200ナノ秒(*1、1千万分の2秒)という超高速でスイッチング可能であることを世界で初めて確認しました。
圧電体薄膜(*2)は、電気信号により構造が変化する性質を活かして、インクジェットプリンタで使用されるマイクロデバイス(Micro Electro Mechanical Systems、MEMS*3)等の動力源として利用されています。現在の圧電体薄膜では、スイッチング時間を十分制御できていません。高速のスイッチン グが実現できれば産業応用への広がりやより高性能な製品の開発を期待できます。
そこで、本研究グループでは、大型放射光施設SPring-8(*4)の高輝度放射光を用いて圧電体の一種である強誘電体(*5)薄膜に高速に電場をかけ ることで引き起こされるナノドメインの構造変化を調べました。その結果、ナノドメインの結晶の向きが1千万分の2秒(200ナノ秒)という高速で変化して いることを世界で初めて確認することに成功しました。
圧電体薄膜を1千万分の2秒というナノ秒オーダーで制御できる可能性を示した今回の成果は、圧電体薄膜を用いたMEMSの高速化を通じて高性能製品の開発 に大きく貢献するものです。例えば、インクジェットプリンタでは、インクの塗布を制御するMEMSの処理速度が速くなれば、従来よりも少ないインク量で微 細な印刷が可能になりますし、自動車用エンジンでは、燃料の使用効率を制御するセラミックス部品にナノドメイン構造を適用することで、燃費向上や排ガス抑 制に貢献することが期待できます。
今回の成果は、JASRIの坂田修身 客員研究員(兼務:NIMS 中核機能部門 高輝度放射光ステーション長)、東京工業大学大学院 総合理工学研究科舟窪浩准教授、山田智明 特任助教(現 名古屋大学大学院 工学研究科 准教授、科学技術振興機構 さきがけ研究者)、京都大学 化学研究所 菅大介 助教らの研究グループによるもので、応用物理の分野において影響の大きい科学学術誌「Applied Physics Letters」のオンライン版に11月4日付で掲載されました。また、今回新たにVirtual Journal of Nanoscale Science & Technologyに注目論文として選ばれました。
結晶が外力による圧力に応じて誘電分極を生じる効果を圧電効果といいます。また電場を結晶に加えることで結晶が歪む効果を逆圧電効果といいます。このよ うな現象を示す結晶や物質を圧電体といい、これを応用の観点から言い換えると、電気エネルギーを機械的エネルギーに、逆に機械的エネルギーを電気エネル ギーに変換するエネルギー変換物質と表現することもできます。ライターの着火石(機械的エネルギーの電気エネルギーへの変換)からプリンタのインクジェッ トヘッド(電気エネルギーを機械的変位に変換)やデジタルカメラの手ぶれ防止機構(機械的エネルギーの電気エネルギーへの変換)まで我々の暮らしの中で広 く使用されています。また最近では、自動車のエンジンや高速道路の車の走行による振動、さらには人間の歩行による振動でも発電できる物質としても注目を集 めています。
大きな圧電性を示す物質では、電圧を加えた時の結晶自身の伸びよりも、ドメインと呼ばれる微小領域の結晶の向きの変化が、圧電性に大きく寄与していること がこれまでの研究で分かっていました。しかし、薄膜状の試料では、常に基板に固定されて(クランピング効果)微小領域の結晶の向きの変化が抑制されるため に、ドメイン変化は高速に応答できないと考えられてきました。 圧電体膜を心臓部品として用いる圧電MEMSは、精密な位置決めが可能なことや、サイズの小型化が容易なことから、将来のMEMSの本命と考えられてきま した。しかしこれまで高速に応答することが確認されていなかったため、高速動作させようとすると圧電性は小さくなってしまうと危惧され、多くの用途では適 用できないだろうと考えられてきました。
最近、"ナノドメイン"と呼ばれる新しい微構造をもつ圧電体膜では、高速での動作の可能性が示唆され、圧電体膜を用いたMEMSの高速動作の可能性が見出されていました。しかしながら実際にナノドメインがどの程度高速に動くかは定量的に確認できていませんでした。
我々は標準的な強誘電体かつ圧電体であるチタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr1-xTix)O3から構成され、ナノドメイン構造を有する2層積層薄膜を利用 して高速動作の可能性を探索しました。大型放射光施設SPring-8表面界面構造解析ビームラインBL13XUの、高輝度で数マイクロメータに集光した 単色パルスX線を、2層積層薄膜上に形成した電極に照射し、薄膜から生じる回折X線強度プロファイルを記録しました(図1)。具体的には、あるパルス電圧 を1回印加した後、回折プロファイルを記録しました。次にパルス幅を少し長くした電圧を1回印加した後、回折プロファイルを記録しました。このように順 次、印加電圧のパルス幅を大きくして測定を繰り返しました。この手法は印加電圧によって誘起される薄膜試料内の微小領域の結晶の向きを測定可能にするX線 回折測定の"高速ストロボ撮影"といえるものです。この結果、薄膜試料内の微小領域の結晶の向きが印加電圧の幅によってどのように変化するかが分かりまし た。図2に示すように、1千万分の2秒(200 ナノ秒)の高速で微小領域の結晶の向きが変化することを世界で初めて観測できました。(図2)
今回の成果は、以下に述べる波及効果が期待できます。
題名:Ultrafast switching of ferroelastic nanodomains in bilayered ferroelectric thin films
日本語訳:2層積層強誘電体薄膜における強弾性ナノドメインの超高速反転
著者:Y. Ehara, S. Yasui, J. Nagata, D. Kan, V. Anbusathaiah, T. Yamada, O. Sakata,H. Funakubo, and V. Nagarajan
ジャーナル名: Applied Physics Letters
掲載日: 2011年11月4日
本研究の一部は、文部科学省および日本学術振興会の科学研究費、JST戦略的創造研究推進事業さきがけの一環として行われました。
用語解説
図.1 高速ストロボ撮影を可能にした測定システム(数マイクロメータに集光した高輝度X線を電極上に集光し、回折X線強度と電圧印加しながら電気分極とを数10ナノ秒 の時間分解で同時に測定できるシステムを構築し、それを用いました。今回の測定では、 200 ナノ秒幅のパルス電圧を1回印加した後、回折プロファイルを記録しました。次に パルス幅を少し長くした電圧を1回印加した後、回折プロファイルを記録することを順次繰り返しました。)
図.2 薄膜試料からのX 線回折強度プロファイルの高速変化。(0 0 1)と(1 0 0)の回折 ピークは薄膜試料中の微小領域の結晶の異なる向きにそれぞれ対応しています。パルス電圧の幅が1 千万分の2 秒(200 ナノ秒)の場合に2 つの回折ピーク強度プロファイルの 変化を観察できました。これが微小領域の結晶の向きの高速変化を実証するものです。