報告書番号

Q10013

タイトル（和文）

第一原理計算による高温用超音波探触子材料設計 第2報：置換元素によるLiNbO3の圧電特性変化

タイトル（英文）

Material design for high temperature use ultrasonic probe material by first principles calculation Part II : piezoelectric properties of doped-LiNbO3

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

発電用高温機器の健全性評価のために超音波探傷法による内部探傷検査が行われている。しかし探触子を構成する既存の圧電材料では高温下で圧電特性が消失してしまうため、適用温度に限界がある。仮に運転中の機器内部の損傷進行を監視できれば、設備の運用信頼性は格段に向上する。この点において圧電定数およびキュリー点の高いLiNbO3が有望であるものの、探傷のためには電気機械結合係数の改善が必要であった。本報告では第一原理計算によりLiサイト置換が圧電物性に及ぼす影響について調べた。Liと同族元素であるNa、K、Rb、CsにてLiサイトを系統的に置換し圧電物性値を計算したところ、イオン半径の増加に伴い電気機械結合係数が増加することが分かった。しかし同時に形成エネルギーも高くなり、特にCsでは弾性定数から格子不安定を示すことが明らかとなった。これは置換元素とNb間の短距離反発力と結晶全体にわたるクーロン相互作用のバランスの結果であり、高い圧電特性と結晶の安定性の両立が困難であることが示唆される。そこで、形成エネルギーの比較的低いNa、KおよびRbにてLiサイトを置換したLiNbO3結晶に対し、第一原理計算から求めた圧電物性テンソルに回転操作を施して結晶カット面に対する電気機械結合係数の変化を計算したところ、分極方向に対し37～39°傾けた面でカットすることにより電気機械結合係数が向上し、特にRb置換時には電気機械結合係数が90%を超えることが予測された。

概要 （英文）

There is an obvious limitation in temperature to perform ultrasonic testing, because piezoelectric materials, which generate ultrasonic and compose probe of ultrasonic testing device loose their piezoelectricity above Curie temperature. If piezoelectric material can keep piezoelectricity even at around 873K steam condition, it will be able to perform ultrasonic testing even power plants are in service, and contributes the significant increasing of reliability for structural components. LiNbO3 is the most promising material because of its high piezoelectric constant and Curie temperature. However, electromechanical coupling factor of LiNbO3 is not enough for ultrasonic testing. In this study, first-principles calculation was used to investigate the change of electromechanical coupling factor of LiNbO3 with substitutional elements; Na, K, Rb, Cs. As ionic radius of the dopant is increased, electromechanical coupling factor is found to be increased, although formation energy of dopant is also increased. Especially, in the case of Cs substitution, crystal showed mechanical instability, which is determined by elastic constant. This indicates that large electromechanical coupling factor and mechanical stability should be contradiction with each other, because of the balance between local repulsive interactions of dopant-Nb and long ranged Coulomb interaction. Therefore, change of electromechanical coupling factor of Na, K or Rb doped LiNbO3, which shows relatively low formation energy, was predicted by rotational operation on the piezoelectric tensor obtained by first-principles calculation. It was shown that when Rb is substituted into the Li site, electromechanical coupling factor might exceed above 90% by cutting at the plane rotated from the polarized direction by 39 degree.

報告者

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