博博博博 士士士士 論論論論 文文文文 概概概概 要要要要
7
0
0
全文
(2) Ｎｏ.1. 自発分極をもち電場によりその方向を反転することのできる物質群は強誘電体 と呼ばれ、凝縮系物理学の大きな分野を構成している。強誘電体はそれが示す巨 大な誘電・圧電応答特性から幅広い分野に応用されている物質である。一方、基 礎の観点からも、誘電率や圧電率といった外からの刺激に対して物質が応答する 特性（感受率）は物性物理の最も基本的な量として多くの研究がなされてきた。 従来の研究はできる限り純粋な物質について、分域を含まない均一な試料につい て行われてきた。しかし近年、強誘電体分野においては本質的な不均一性に起因 する新しい研究の方向性が生まれている。本論文はこのなかで量子常誘電性とリ ラクサーに着目をして研究を行ったものである。量子常誘電体は温度下降に伴い 誘電率が増大するにも関わらず、強誘電相転移を示さない物質である。このよう な強誘電相転移の抑制は、低温において支配的になる零点振動が、光学分枝横波 フォノンのソフト化を抑制しているために生じると解釈されている。一方、カノ ニカルリラクサーと呼ばれている最も典型的なリラクサーは広い温度範囲にわた っ て ブ ロ ー ド で 高 い 誘 電 率 を 示 し な が ら 、強 誘 電 相 転 移 を 起 こ さ な い 。ま た 数 H z という低周波数で大きな誘電分散を示し、周波数とともに誘電率のピーク温度は 高温側にシフトする。このようなリラクサー特性の直接的な原因は、極性ナノ領 域 (PNR)の 存 在 で あ る と さ れ て い る 。 す な わ ち 、 誘 電 率 の ピ ー ク 温 度 よ り も 高 温 か ら 非 極 性 マ ト リ ッ ク ス 中 に PNR が 発 現 し は じ め 、 温 度 下 降 と と も に PNR は 互 いに相関をもって成長するが、ボンドの不均一性によって生じるランダム場によ ってその成長が局所的にとどまって長距離秩序が生じない。低周波での大きな誘 電 分 散 は P N R の サ イ ズ 分 布 で 解 釈 が で き る 。こ の よ う に 量 子 常 誘 電 体 と リ ラ ク サ ーは非常に類似した誘電特性をもつが、これまで両者は独立な対象として研究さ れてきた。しかしながら、量子常誘電体においてもこれまでの研究により非極性 相 の 中 に 部 分 的 に 対 称 性 の 低 下 し た 領 域 、す な わ ち P N R の 存 在 が 報 告 さ れ て い る 。 このことから、我々は不均一性をもつリラクサーと量子常誘電性とは何らかの関 連性があるのではないかと考え研究を始めた。 研 究 対 象 と し て 量 子 常 誘 電 体 で あ る タ ン タ ル 酸 カ リ ウ ム K Ta O 3 ( K T O ) に L i イ オ ン を 置 換 し た K 1 - x L i x Ta O 3 ( K LT- x ) を 用 い た 。 L i イ オ ン を 置 換 す る こ と に よ り 誘 電 率の値にピークが現れることから、強誘電状態が誘起されることがわかる。しか しながら、低温での分極状態についてはいまだに明確な結論が得られていない。 そ こ で 、本 論 文 に お い て は K LT の 低 温 で の 分 極 状 態 と そ の 電 場 の も と で の 変 化 を 光第 2 高調波顕微鏡、X 線回折、誘電測定および中性子散乱などの測定装置を相 補 的 に 用 い て 測 定 し 、L i 濃 度 を 変 え て 秩 序 形 成 と そ の 臨 界 現 象 に 関 す る 研 究 を 行 った。 第 1 章においては強誘電体の緒性質および強誘電相転移機構について説明した 後、量子常誘電体及びリラクサーの概念について述べる。その後、研究対象であ.
(3) Ｎｏ.2 る KTO お よ び Li 添 加 効 果 に つ い て 今 ま で の 研 究 を 紹 介 し な が ら 説 明 し た 後 、 こ れまでの研究の問題点および本論文における研究目的について述べる。 第 2 章 で は K LT に お い て 秩 序 変 数 が 著 し い 経 歴 依 存 性 を 示 す こ と を 見 出 し た 結 果 に つ い て 述 べ る 。 ゼ ロ 電 場 冷 却 過 程 (ZFC), ZFC 後 の 電 場 加 熱 過 程 (FH/ZFC), 電 場 冷 却 過 程 (FC), FC 後 の FH 過 程 (FH/FC), ZFC 後 の FH 過 程 に お い て 秩 序 変 数 の 振 る 舞 い が 異 な る こ と を 見 出 し た 。 ZFC, ZFH/ZFC に お い て は 秩 序 変 数 が 温 度 に 対 し て 変 化 し な い の に 対 し 、F C , F H / F C に お い て は 大 き な 温 度 依 存 性 を 示 し た 。 ま た 、 FH/ZFC に お い て は 低 温 に お い て 発 達 の 見 ら れ な か っ た 秩 序 変 数 が あ る 温 度を境に急激に増大するという振る舞いを示すことを明らかにした。このような 経歴依存性は本質的な不均一性を伴うリラクサーの示す特徴的な現象の一つであ り 、 こ の 存 在 は K LT が リ ラ ク サ ー で あ る こ と を 強 く 示 唆 し て い る と い え る 。 第 3 章 に お い て は K LT が カ ノ ニ カ ル リ ラ ク サ ー に 特 有 な 現 象 の 一 つ で あ る 長 時 間 緩 和 現 象 を 示 す こ と を 見 い だ し た 実 験 結 果 と そ の 解 析 に つ い て 述 べ る 。Z F C を 行 っ た 後 、温 度 を 上 げ 、あ る 温 度 で 電 場 印 加 を 行 う と 低 温 に お い て は 光 第 2 高 調 波 （ SH） 強 度 に 変 化 が み ら れ な か っ た の に 対 し 、 よ り 高 温 で は SH 強 度 が 時 間 と 共 に 発 達 し て い く 現 象 が 観 察 で き た 。こ の 時 間 発 展 現 象 は 温 度 に 著 し く 依 存 し て お り 、4 0 K の 特 性 温 度 以 下 に お い て は 3 0 分 以 上 と い う 長 い 待 ち 時 間 の 後 に S H 波 が 急 激 に 発 生 す る の に 対 し 、こ の 特 性 温 度 以 上 に お い て は 電 場 印 加 に 対 し て 比 較 的 早 い 応 答 を 示 す 。 こ の よ う な 超 長 時 間 緩 和 現 象 を Av r a m i 理 論 を 用 い て 解 析 し た 。そ の 結 果 、極 性 領 域 の 成 長 メ カ ニ ズ ム の 違 い に よ り こ の 現 象 を 解 釈 す る こ と ができることを示した。 第 4 章 に お い て は K LT の 極 性 秩 序 が 発 達 す る T p 以 上 の 温 度 に お い て マ ク ロ な 分 極 は 発 生 し な い が 、 格 子 歪 み が 生 じ る 中 間 相 を 見 出 し 、 こ れ が PNR の 生 成 ・ 成 長 領 域 で あ る こ と を 示 し た 結 果 に つ い て 述 べ る 。 第 2 高 調 波 顕 微 鏡 (SHGM)お よ び X 線 回 折 測 定 を 行 う こ と に よ り K LT- 2 . 6 % , 6 . 8 % に お い て S H 強 度 が 発 生 す る 温 度 Tp と 歪 み が 発 生 す る 温 度 Td と が 異 な る こ と を 見 出 し た 。 こ の こ と は 、 温 度 領 域 Tp<T<Td に お い て 僅 か な 格 子 の 変 形 を 伴 う に も か か わ ら ず 、 平 均 と し て は 分 極 を 持 た な い 中 間 相 が 存 在 し て い る こ と を 示 唆 し て い る 。ま た 、K LT- 6 . 8 % に お い て 中 性 子 散 漫 散 乱 実 験 を 行 い 、散 漫 散 乱 強 度 が 明 確 に 観 測 さ れ る 温 度 領 域 が 、こ の 中 間 領 域 と ほ ぼ 一 致 す る こ と を 見 出 し た 。 こ れ ら の 実 験 結 果 は 中 間 相 が PNR の 生 成 ・ 発 達 す る 領 域 で あ る こ と を 強 く 示 唆 し て い る 。さ ら に 中 性 子 回 折 実 験 を 行 う こ と に よ り 温 度 Tp 以 下 に お い て Bragg 強 度 が 著 し く 増 大 す る 現 象 を 観 察 し た 。こ の 現 象 は ミ ク ロ な 強 誘 電 分 域 が 発 生 す る た め に 2 次 消 衰 効 果 が 消 失 す る た め で あ る 。 こ の こ と は 、 Tp 以 下 で は PNR が 強 誘 電 マ イ ク ロ ド メ イ ン 状 態 へ と 変 化 す る こ と を 表 わ し て い る 。 し か し な が ら SHG 顕 微 鏡 観 察 が 示 す よ う に 、 こ の 変 化 は 完 全 で は な い 。こ れ ら の 実 験 結 果 を 踏 ま え 、こ れ ま で 明 ら か に さ れ て い な か っ た K LT に お け る 低 温 で の 分 極 状 態 に 関 し て 新 し い モ デ ル を 提 案 し た 。.
(4) Ｎｏ.3 第 5 章 に お い て は L i 濃 度 の 異 な る 種 々 の K LT 試 料 に お い て 誘 電 率 測 定 を 行 い 、 Debye 緩 和 型 モ デ ル お よ び 、 リ ラ ク サ ー に お け る 誘 電 応 答 を 説 明 す る 上 で 一 般 的 に 用 い ら れ て い る Vo g l e - F u l c h e r 則 を 用 い て 解 析 を 行 っ た 結 果 に つ い て 述 べ る 。 Cole-Cole plot よ り Li 濃 度 が 低 い 場 合 に は 周 波 数 分 散 が 測 定 温 度 領 域 に お い て 1 つしか現れないのに対し、高濃度においては 3 つの分散が現れることが明らかと なった。これらの周波数分散の起因について考察を行った。 第 6 章 に お い て は 種 々 の L i 濃 度 を も つ K LT に つ い て 誘 電 率 、 中 性 子 非 弾 性 散 乱 お よ び S H G 顕 微 鏡 観 察 を 行 っ た 結 果 に つ い て 報 告 す る 。我 々 は 低 温 で 発 現 す る 量 子 常 誘 電 性 が 温 度 上 昇 と と も に 次 第 に 消 失 し 、L i ダ イ ポ ー ル の 緩 和 モ ー ド が 支 配 的 と な る こ と を 見 出 し た 。 L i 濃 度 の 低 い K LT で は 誘 電 率 が L i ダ イ ポ ー ル の 秩 序・無 秩 序 相 転 移 に よ る ピ ー ク を 迎 え た 後 に 、温 度 下 降 と 共 に 再 び 単 調 増 加 す る 。 こ の こ と か ら 、 本 論 文 で は 低 濃 度 K LT に お い て は L i ダ イ ポ ー ル の 緩 和 モ ー ド に よる強誘電相転移とは独立に量子常誘電性が発現すると仮定して、量子常誘電体 の 誘 電 率 を 説 明 す る B a r r e t t の 式 を 用 い て 解 析 を 行 っ た 。そ の 結 果 、L i 濃 度 が 3 . 3 % 以 上 に な る と 、 B a r r e t t パ ラ メ タ ー が 大 き く 変 化 す る こ と を 見 出 し 、 ま た 、 T O , TA フ ォ ノ ン の 温 度 依 存 性 を 測 定 し 、同 様 な 解 析 を 行 っ た 。そ の 結 果 、T O フ ォ ノ ン と 誘 電 率 と で は Barrett の 式 を 用 い た 解 析 結 果 に 大 き な 違 い が 生 じ る こ と を 明 ら か に し た 。 こ れ は フ ォ ノ ン と 誘 電 率 と の 間 に 成 立 す る Ly d d a n e - S a c h s - Te l l e r の 関 係 に お い て 、 K LT で は 一 番 低 い 周 波 数 の T O モ ー ド だ け で は な く 他 の フ ォ ノ ン か ら の 寄 与 が 重 要 で あ る こ と を 意 味 し て い る 。 中 性 子 非 弾 性 散 乱 か ら 決 定 し た TO フ ォノンの温度依存性は、誘電率ピーク温度でソフト化を示さない。これは強誘電 相 が 変 位 型 で は な く 、Li 双 極 子 の 秩 序 ・ 無 秩 序 機 構 に よ り 起 こ る こ と を 示 し て い る。この現象を局所場を考慮に入れた 2 状態モデルで定性的に説明した。 第 7 章 で は K LT に お け る S H 強 度 の 温 度 依 存 性 を L a n d a u - D e v o n s h i r e 現 象 論 を もちいて解析を行った結果について述べる。自由エネルギーにおける 4 次の係数 が 正 か ら 負 へ と 変 化 す る こ と か ら 3%近 傍 が 臨 界 3 重 点 濃 度 で あ る こ と を 見 い だ し た 。こ の 濃 度 は 本 論 文 第 6 章 に お け る B a r r e t t パ ラ メ タ ー が 変 化 す る 限 界 濃 度 と よ い 一 致 を 示 し て い る 。ま た 、臨 界 3 重 点 濃 度 近 傍 の 組 成 比 を も つ K LT 試 料 に つ いて電場印加下で誘電率測定を行った。電場ともに誘電率は鋭くなり、またピー ク強度は著しく増加した。さらに電場を大きくするとピークは減少しブロードと なり、スーパー臨界状態へと移行した。この結果は、リラクサー誘電体と強誘電 体 と の 固 溶 体 で あ る P M N - P T に お い て ご く 最 近 報 告 さ れ た 臨 界 現 象 が K LT に お い ても発現すること初めて示したものである。このような臨界現象は巨大応答特性 の 起 因 を 考 え る 上 で 重 要 で あ り 、 従 来 ま で の T- x 相 図 に E の 次 元 を 加 え て 初 め て 説 明 で き る こ と を 示 唆 し て い る 。 こ れ ら の 結 果 か ら K LT に お け る E - T- x 相 図 を 決 定した。 第 8 章では、本論文において得られた結果をまとめた。.
(5) Ｎｏ.1. 早稲田大学 博士（ 博士（理学） 学位申請 研究業績書 氏 名. 横田. 紘子. 印 （2007 年 11 月 現在）. 種 類 別 論文. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. (1) “Critical Behavior of K1-xLixTaO3 with the Tri-Critical Concentration of Li under an Electric Field”, J. Phys. Soc. Jpn., H. Yokota, and Y. Uesu, (submitted) (2) “Dielectric and soft-phonon behaviors in the quantum paraelectric / ferroelectric crossover region in K1-xLixTaO3”, Phys. Rev. B, H. Yokota, and Y. Uesu (submitted) (3) “Li concentration dependence of Dielectric Responses of Quantum Relaxor K1-xLixTaO3”, J. Jpn. Appl. Phys. 46 10B, 7167-7170 (2007), H. Yokota, A. Okada, I. Ishida, and Y. Uesu (4) “Three-dimensional observations of periodically poled domains in a LiTaO3 quasiphase matching crystal by second harmonic generation tomography”, Appl. Phys. Lett. 91, 182904 (2007), Y. Uesu, H. Yokota, S. Kawado, J. Kaneshiro, S. Kurimura, and N. Kato (5) “Second-harmonic generation and x-ray diffraction studies of the pretransitional region and polar phase in relaxor K(1-x)LixTaO3”, Phys. Rev. B 75, 184113 (2007), H. Yokota ,Y. Uesu, C. Malibert, and J. M. Kiat, Selected for the June 11, 2007 issue of Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology (6) “Extremely slow time evolution of the order parameter under an electric field in relaxor K0.97Li0.03TaO3”, J. Phys. : Condensed Matt. 19, 102201(2007) Fast Track Communications, H. Yokota, and Y. Uesu, IOP selected paper (7) “Second-harmonic-generation microscopic observations of polar state in Li-doped KTaO3”, Phys. Rev. B 72, 144103 (2005), H. Yokota, T. Oyama, and Y. Uesu. 国際学会 Proceeding (1) “Critical point of relaxor K1-xLixTaO3 under an electric field”, Ferroelectrics, H. Yokota, and Y. Uesu (submitted) (査読付) (2) “3D imaging of inverted domain structures by confocal SHG interference microscope”, Ferroelctrics, H. Yokota, S. Kawado, J. Kaneshiro, Y. Uesu, and S. Kurimura (accepted) (3) “SHG Tomography for Domain Structure Observations –An application to 3D Visualizations of Periodically Poled Domains-“, Integrated Ferroelectrics, S. Kawado, H. Yokota, J. Kaneshiro, and Y. Uesu (subimitted) (4) “Optical Properties of Li Doped KTaO3 using Spectroscopic Ellipsometer”, Ferroelectrics 355, (2007), Hiroko Yokota, J. Teyssier, R. L. Dantec, Y. Uesu and J. Bouillot (in print) (5) “Non-ergodic Behavior of Polarization Growth in Quantum Relaxor”, J. Korean Physical Society 51, 744 (2007), H. Yokota, and Y. Uesu (6) “Is K(1-x)LixTaO3 a Real relaxor?”, Ferroelectrics 347, 1 (2007), Y. Uesu, H. Yokota, J. M. Kiat, and C. Malibert (7) “Recent Progress of SHG Interference Microscope and Its Applications”, J. Korean Physical Society 51, 804 (2007), Y. Uesu, H. Yokota, S. Kawado, and N. Kato.
(6) Ｎｏ.2. 早稲田大学 博士（ 博士（理学） 学位申請 研究業績書 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. (8) “Non-erogodic behaviour of polar state in KTaO3 doped with Li under an electric field”, J. Physics Conference Series 31, 231 (2006), H. Yokota, T. Oyama, and Y. Uesu 講演 (1) “量子リラクサーK1-xLixTaO3 の電場印加下における臨界振る舞い”, 横田 紘子, 上江 洲 由晃, 日本物理学会 第 62 回年次大会, 2007 年 9 月 21 日 (北海道大学), 口頭発表 (2) “Nucleation and time evolution of polar embryos in a quantum relaxor KTaO3 doped with Li”, H. Yokota, 第5回21COE自己組織系物理国際シンポジウム, September 14th 2007 (早稲田大 学国際会議場井深ホール) (3) “ Critical behavior of quantum relaxor K1-xLixTaO3 under the electric field”, H. Yokota, and Y. Uesu, 11th European Meeting on Ferroelectricity (EMF-2007), September 6th 2007 (Bled, Slovenia), 口頭発表 (4) “Li 添加 KTaO3 のリラクサー状態と超長緩和過程”, 横田 紘子, 名古屋地区誘電体研 究会, 2007 年 7 月 7 日 (名古屋工業大学), 口頭発表 (5) “3D imagings of inverted domain structures by confocal SHG interference microscope”, H. Yokota, S. Kawado, J. Kaneshiro, and Y. Uesu, 19th International Symposium on Integrated Ferroelectrics 2007 (ISIF-2007), May 9th 2007 (Bordeaux, France), 口頭発表 (6) “量子リラクサーK1-xLixTaO3 における中性子臨界散漫散乱”, 横田 紘子, 浅沼 周太 郎, 上江洲 由晃, 角田 頼彦, 日本物理学会 第 62 回年次大会, 2007 年 3 月 18 日 (鹿児 島大学 群元キャンパス), 口頭発表 (7) “Extremely slow kinetics and nonergodicity of a relaxo K1-xLixTaO3”, H. Yokota, and Y. Uesu, 2007 Workshop on the Fundamental Physics of Ferroelectrics, February 13th 2007 (Williamsburg, USA), 口頭発表 (8) “量子リラクサーKTaO3:Li の中性子臨界散漫散乱”, 横田 紘子, 浅沼 周太郎, 上江 洲 由晃, 角田 頼彦, 日本中性子科学会 第 6 回年会, 2006 年 12 月 6 日 (茨城県立県民 文化センター), ポスター発表 (9) “量子リラクサーKTaO3:Li の分光エリプソメーターによる低温光学測定”, 横田 紘子, J. Teyssier, R. L. Dantec, 上江洲 由晃, J. Bouillot, 日本物理学会 2006 年秋季大会, 2006 年 9 月 24 日 (千葉大学), 口頭発表 (10) “Pretransitional state of quantum relaxors K1-xLixTaO3”, H. Yokota, Y. Uesu, C. Malibert, and J. M. Kiat, 第 4 回 21COE 自己組織系物理シンポジウム, 2006 年 9 月 7 日 (早稲田大学大久 保キャンパス), ポスター発表 (11) “Optical Properties of Li Doped KTaO3 using Spectroscopic Ellipsometer”, H. Yokota, J. Teyssier, R. L. Dantec, Y. Uesu and J. Bouillot , The 5th Asian Meeting on Ferroelectrics, 2006 年 9 月 5 日 (東京理科大学 野田キャンパス), 口頭発表.
(7) Ｎｏ.3. 早稲田大学 博士（ 博士（理学） 学位申請 研究業績書 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. (12) “Non-ergodic behavior of polarization growth in quantum relaxor KTL”, H. Yokota, and Y. Uesu, The 6th Japan-Korea Conference on Ferroelectricity, 2006 年 8 月 20 日 (東北大学 片平 キャンパス), selected 口頭発表 (13) “SHG microscope and diffraction studies of polar state in Li-doped KTaO3”, H. Yokota, Y. Uesu, C. Malibert, and J. M. Kiat, The 9th International Symposium on Ferroic Domains and Micro-to Nanoscopic Structures, June 27th 2006 (Dresden, Germany), ポスター発表 (14) “Li 添加 KTaO3 の分極状態の 2 ステップ変化”, 横田 紘子, 大山 妙子, 上江洲 由 晃, 日本物理学会 第 61 回年次大会, 2006 年 3 月 27 日 (愛媛大学・松山大学), 口頭発表 (15) “Two-step change of the polar state in Li-doped KTaO3 –Evidence of polar nano-region-“, H. Yokota, T. Oyama, and Y. Uesu, 2006 Workshop on Fundamental of Physics of Ferroelectrics, February 14th 2006 (Williamsburg, USA), ポスター発表 (16) “量子常誘電体 KTaO3 における Li 添加誘起相転移の SHG 顕微鏡観察”, 横田 紘子, 大山 妙子, 上江洲 由晃, 日本セラミックス協会 第 17 回秋季シンポジウム, 2005 年 9 月 27 日 (大阪府立大学), ポスター発表 (17) “Non-ergodic behavior of the polar state of KTaO3 doped with Li under the electric field”, H. Yokota, T. Oyama, and Y. Uesu, 第 3 回 21COE 自己組織系物理シンポジウム, 2005 年 9 月 2 日 (早稲田大学大久保キャンパス), ポスター発表 (18) “KTaO3 における Li 添加誘起相転移の SHG 顕微鏡観察”, 横田 紘子, 大山 妙子, 上 江洲 由晃, 日本物理学会 第 60 回年次大会, 2005 年 3 月 25 日 (東京理科大学野田キャ ンパス), 口頭発表.
(8)
関連したドキュメント
建築設備シミュレーションソフトウェアの 継続的開発法に関する研究 Strategy for continuous development of building environmental simulation software with open source approach..
M.Kayama, Y.Sugita, Y.Morooka, Y.Saito, Adjusting Neural Networks for Accurate Control Model Tuning, IEEE International Conference on Fuzzy Systems and the Second International
International Symposium on Polymer Chemistry－PC’2006 (2006. 6, Daliang, China) Ichiro Takemura, Yuko Masumoto,
Enhanced recovery process of calcium oxide and metals from steelmaking slag with net carbon sequestration, 13 th International Conference on Greenhouse Gas
第7777章 章 章 章 参加者 参加者 参加者 参加者の の の評価 の 評価 評価 評価と と と調整 と 調整 調整
Horikoshi Characteristics of multivalent impurity doped C60 films grown by MBE 14th International Conference on Molecular Beam Epitaxy, Tokyo, Japan, September 3-8, 2006..
19th Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry (2011. 9, Volgograd) Katsuyuki Takahashi and Hiroyuki Nishide.. Radical Polymer Brushes on Al Prepared by
[r]
