東京大学大学院工学系研究科総合研究機構 助教
住所：〒113-8656 東京都文京区弥生２−１１−１６ 東京大学工学部９号館４２４号室
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E-mail: y_sato[a]sigma.t.u-tokyo.ac.jp
強誘電ナノドメインの電界に対する応答
(Physical Review Letters, 107, 187601-1-5 (2011)., Applied Physics Letters, 100, 172902-1-3 (2012).)
下の動画は強誘電ナノドメインが電界に対して応答している様子をリアルタイムで直接観察したものです．
PMN-PTはPMN (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)と PT (PbTiO3)の固溶体の材料で巨大な圧電特性を示します．そのため，PMN-PTの単結晶は医療用の超音波診断装置などに使う圧電プローブの材料になっています．その巨大圧電特性は材料の内部に形成される微小なドメインと密接な関連がありそうですが，材料に電界を加えた際のドメインの挙動は観察されたことがありませんでした．
われわれは，その場透過型電子顕微鏡という手法を用いて，ナノドメインが電界に対して応答する様子を直接リアルタイムで観察することに初めて成功しました．観察された挙動は過去の理論から予測されていたものと割と近いものであることが分かり，巨大圧電特性のメカニズムを解明するための大きな一歩となりました．
詳細は，論文： Physical Review Letters, 107, 187601-1-5 (2011) および解説：セラミックス, 47, 48 (2012)，固体物理, 47, 171 (2012).などをご覧ください.
負の熱膨張材料ZrW2O8中の相分布
(Y. Sato et al., Journal of the American Chemical Society, 134, 13942-13945 (2012). )
材料は通常，温度を上げると膨張する性質を持っています．しかしながら，いくつかの材料ではこれに反して温度を上げると収縮することが知られていて，実用および基礎科学の観点から注目されています．
その代表的な物質の１つがZrW2O8で，この材料では金属イオンと酸素イオンの作る多面体の構造・向き・振動状態などが温度を上げると収縮する性質と密接に絡んでいます．
私たちは電子顕微鏡観察によりZrW2O8中でWO4四面体の向きが秩序化したα相と無秩序化したβ相の空間的な分布をはじめて明らかにしました．
下の左の写真では秩序化したWO4四面体の向きが互いに正反対の２つのドメイン領域が明瞭に観察されている他，右上の写真に点状に見えるものは数ナノメートル程度の大きさの無秩序化したβ相であります．このような観察から私たちは右下のような新しい微細構造のモデルを立てるに至りました．
PMN-PT結晶中Bサイトイオン規則構造の構造解析
(Y. Sato et al., Applied Physics Letters, 95, 022906 (2009).)
機能性材料のマクロな材料特性はしばしば微視的な領域の構造ならびに特性により大きく影響を受けることが次第に明らかになってきています．
透過型電子顕微鏡法を用いることにより，そのような微視的な領域の存在ならびにその状態をつぶさに観察することができます．例えば，上記のPMN-PT単結晶においては，MgおよびNbが規則的に並んだナノスケールの領域を形成することが明らかとなりました．
下の左の写真（透過型電子顕微鏡(TEM)像）では規則化した領域が数nmの点状の明るいコントラストとして見えており，右の像（STEM像）では，Nbの原子列が矢印に示すところに周期的に並んでいるのが原子レベルで直接観察されています．
このような微小領域に関する理解が更に深まることにより，従来に無い新しい材料開発への指針が見えてくることになるかもしれません．
酸化物中の粒界における原子配列・電子状態・電気特性
(Y. Sato et al., Physics Review Letters, 97, 106802 (2006). JACerS, 90, 337-357 (2007).他)
材料特性を微視的な領域が支配している１つの良い例として酸化亜鉛（ZnO）のセラミックスがあります．ZnOセラミックスは粒界に起因する非線形な電流−電圧特性からバリスタという電子デバイスとして広く用いられています．下の図の上の像(STEM像)からはZnOの粒界における原子の配列ならびに重要な役割を果たす添加元素のPr（プラセオジム）の位置も直接観察されています．また，理論計算との比較から詳細な原子配列が下のモデルのように明らかとなり，さらに解析を行った結果，粒界に局在しているPrがZn空孔の形成を促進することが分かりました．このことがバリスタの特性を発現させる１つの重要なポイントであると考えています．
"Scanning transmission electron microscopy observations and thermoelectric properties of the Sr-doped misfit cobalt oxide"
T. Morimura, Y. Sato, Y. Ikuhara, T. Yamaguchi and M. Hasaka,
Submitted.
"Segregation of Mn2+ Dopants as Interstitials in SrTiO3 Grain Boundaries"
H. Yang, P. G. Kotula, Y. Sato, Y. Ikuhara, N. D. Browning,
Submitted.
"Real-Space Distribution of Local WO4 Ordering in Negative Thermal Expansive ZrW2O8"
Y. Sato, Y. Yamamura, K. Saito, and Y. Ikuhara,
Journal of the American Chemical Society, 134, 13942-13945 (2012).
"Evolution of nanodomains under DC electrical bias in Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - PbTiO3: An In-Situ transmission electron microscopy study"
Y. Sato, T. Hirayama, and Y. Ikuhara,
Applied Physics Letters, 100, 172902-1-3 (2012).
"Quantifying stoichiometry-induced variations in structures and energies of a SrTiO3 symmetric S13 {510}/<100> grain boundary"
H. Yang, H.S. Lee, M. C. Sarahan, Y. Sato, M. Chi, Y. Ikuhara, and N. D. Browning,
Philosophical Magazine, (2012). DOI:10.1080/14786435.2012.746479
"ZnO Dense Nanowire Array on a Film Structure in a Single Crystal Domain Texture for Optical and Photoelectrochemical Applications"
M. Zhong, Y. Sato, M. Kurniawan, A. Apostoluk, B. Masenelli, E. Maeda, Y. Ikuhara and J.-J. Delaunay,
Nanotechnology, 23, 495602-1-10 (2012).
"Simultaneous visualization of oxygen vacancies and the accompanying cation shifts in a perovskite oxide by combining annular imaging techniques"
S. Kobayashi, S. D. Findlay, N. Shibata, T. Mizoguchi, Y. Sato, E. Ohnishi, Y. Ikuhara, and T. Yamamoto,
Applied Physics Letters, 100, 193112-1-5 (2012).
"Atomic structure of a S3 [110]/(111) grain boundary in CeO2"
B. Feng, H. Hojo, T. Mizoguchi, H. Ohta, S. D. Findlay, Y. Sato, N. Shibata, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Applied Physics Letters, 100, 073109-1-3 (2012).
"Real-Time Direct Observations of Polarization Reversal in a Piezoelectric Crystal: Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 - PbTiO3 Studied via In Situ Electrical Biasing Transmission Electron Microscopy"
Y. Sato, T. Hirayama, and Y. Ikuhara,
Physical Review Letters, 107, 187601-1-5 (2011).
"Cation off-stoichiometric SrMnO3-d thin film grown by pulsed laser deposition"
S. Kobayashi, Y. Tokuda, T. Ohnishi, T. Mizoguchi, N. Shibata, Y. Sato, Y. Ikuhara, and T. Yamamoto,
Journal of Materials Science, 46, 4354-4360 (2011).
"Field-induced water electrolysis switches an oxide semiconductor from an insulator to a metal"
H. Ohta, Y. Sato, T. Kato, S.-W. Kim, K. Nomura, Y. Ikuhara, and H. Hosono,
Nature Communications, 1: 118-1-6 (2010).
"Quantitative analyses of oxidation states for cubic SrMnO3 and orthorhombic SrMnO2.5 with electron energy loss spectroscopy"
S. Kobayashi, Y. Tokuda, T. Mizoguchi, N. Shibata, Y. Sato, Y. Ikuhara, and T. Yamamoto,
Journal of Applied Physics, 108, 124903-1-4 (2010).
"Direct Imaging of Hydrogen within a Crystalline Environment"
S. D. Findlay, T. Saito, N. Shibata, Y. Sato, Journal of Matsuda, K. Asano, E. Akiba, T. Hirayama, and Y. Ikuhara,
Applied Physics Express, 3, 116603-1-3 (2010).
"Atomic-scale segregation behavior of Pr at a ZnO [0001] S49 tilt grain boundary"
Y. Sato, T. Mizoguchi, N. Shibata, T. Yamamoto, T. Hirayama, and Y. Ikuhara,
Physical Review B, 80, 094114 (2009).
"Transmission electron microscopy and scanning transmission electron microscopy study on B-site cation ordered structures in a (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 single crystal"
Y. Sato, T. Mizoguchi, N. Shibata, H. Moriwake, T. Hirayama, and Y. Ikuhara,
Applied Physics Letters, 95, 022906 (2009).
"Atomic Structure, Electronic Structure, and Defect Energetics in [001]/(310) S5 Grain Boundaries of BaTiO3 and SrTiO3"
M. Imaeda, T. Mizoguchi, Y. Sato, H.-S. Lee, S. D. Findley, N. Shibata, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Physical Review B, 78, 245320 (2008).
"Atomic structures and electrical properties of ZnO grain boundaries"
Y. Sato, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Journal of the American Ceramic Society, 90, 337-357 (2007). (Feature Article)
"Grain Boundary Atomic Structures in SrTiO3 and BaTiO3"
T. Yamamoto, T. Mizoguchi, S.Y. Choi, Y. Sato, N. Shibata, and Y. Ikuhara,
Materials Science Forum, 558-559, 851-856 (2007).
"Role of Pr segregation on acceptor state formation at ZnO grain boundaries"
Y. Sato, Journal of P. Buban, T. Mizoguchi, N. Shibata, M. Yodogawa, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Physical Review Letters, 97, 106802 (2006).
"HRTEM study of [001] low-angle tilt grain boundaries in fiber-textured BaTiO3 thin films"
M. Igarashi, Y. Sato, N. Shibata, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Journal of Materials Science, 41, 5146 (2006).
"Atomic structure of AlN/Al2O3 interface fabricated by pulsed laser deposition"
Y. Tokumoto, Y. Sato, N. Shibata, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Journal of Materials Science, 41, 2553 (2006).
"Atomic structure and relaxation behavior at AlN(0001)/Al2O3(0001) interface"
Y. Tokumoto, T. Mizoguchi, Y. Sato, N. Shibata, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Journal of Ceramic Society of Japan, 114, 1018 (2006).
"Arrangement of multiple structural units in a [0001] S=49 tilt grain boundary in ZnO"
Y. Sato, T. Mizoguchi, F. Oba, Y. Ikuhara, and T. Yamamoto,
Physical Review B, 72, 064109-1-7 (2005).
"Dopant-segregation-controlled ZnO single-grain-boundary varistors"
Y. Sato, M. Yodogawa, T. Yamamoto, N. Shibata, and Y. Ikuhara,
Applied Physics Letters, 86, 152112-1-3 (2005).
"Atomic and electronic structure of [0001]/(-1-230) S7 symmetric tilt grain boundary in ZnO bicrystal with linear current-voltage characteristic"
Y. Sato, T. Mizoguchi, F. Oba, M. Yodogawa, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Journal of Materials Science, 40, 3059-66 (2005).
"Current-voltage characteristic and grain boundary structure in undoped and Pr and Co doped ZnO bicrystals"
Y. Sato, F. Oba, M. Yodogawa, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Materials Science Forum, 475-479, 3867-70 (2005).
"Sr vacancy segregation by heat treatment at SrTiO3 grain boundary"
T. Mizoguchi, Y. Sato, Journal of P. Buban, K. Matsunaga, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Applied Physics Letters, 87, 241920-1-3 (2005).
"Effect of boundary plane on the atomic structure of [0001] S7 tilt grain boundaries in ZnO"
F. Oba, Y. Sato, T. Yamamoto, H. Ohta, H. Hosono, and Y. Ikuhara,
Journal of Materials Science, 40, 3067-74 (2005).
"Electron transport behaviors across single grain boundaries in n-type BaTiO3, SrTiO3, and ZnO"
T. Yamamoto, Y. Sato, T. Tanaka, K. Hayashi, Y. Ikuhara, and T. Sakuma,
Journal of Materials Science, 40, 881-87 (2005).
"Theoretical and experimental Ti-K NEXAFS of various Ti-oxides"
T. Mizoguchi, M. Sakurai, A. Nakamura, T. Sasaki, Y. Sato, K. Matsunaga, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Materials Science Forum, 475-479, 3119-22 (2005).
"Identification of native defects around grain boundary in Pr-doped ZnO bicrystal using electron energy loss spectroscopy and first-principles calculations"
Y. Sato, T. Mizoguchi, F. Oba, M. Yodogawa, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara
Applied Physics Letters, 84, 5311-13 (2004).
"Grain boundary dependency of nonlinear current-voltage characteristics in Pr and Co doped ZnO bicrystals"
Y. Sato, F. Oba, M. Yodogawa, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara
Journal of Applied Physics, 95, 1258-64 (2004).
"Atomic structure of [0001] tilt grain boundaries in ZnO: A HRTEM study of fiber-textured thin films,"
F. Oba, H. Ohta, Y. Sato, H. Hosono, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Physical Review B, 70, 125415 (2004).
"Non-linear current-voltage characteristics related to native defects in SrTiO3 and ZnO bicrystals,"
Y. Sato, T. Tanaka, F. Oba, T. Yamamoto, Y. Ikuhara, and T. Sakuma,
Science and Technology of Advanced Materials, 4, 605-11 (2003).
"Al-doped ZnO ceramics fabricated by mechanical alloying and high-pressure sintering technique,"
Y. Sato, F. Oba, M. Yodogawa, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
Journal of Materials Science Letters, 22, 1201-04 (2003).
"Current-voltage characteristics of Co-doped inversion boundaries in Zinc Oxide bicrystals,"
F. Oba, Y. Sato, T. Yamamoto, Y. Ikuhara, and T. Sakuma,
Journal of the American Ceramic Society, 86, 1616-18 (2003).
"Current-voltage characteristics across [0001] twist boundaries in Zinc Oxide bicrystals,"
Y. Sato, F. Oba, T. Yamamoto Y. Ikuhara, and T. Sakuma,
Journal of the American Ceramic Society, 85, 2142-44 (2002).
"電子セラミックスにおける微細構造と物性の相関に関する研究"
佐藤幸生，
日本セラミックス協会2013年年会，東京工業大学，2013年3月18日（進歩賞受賞講演）（domestic）
"Domain response by electric fields in PMN-PT: An in-situ transmission electron microscopy study"
Yukio Sato, Tsukasa Hirayama, and Yuichi Ikuhara,
The 9th Korea-Japan Conference on Ferroelectrics (KJC-FE09), University of Ulsan, Ulsan, Korea, 2012.8.10. (Invited)
"透過型電子顕微鏡法を用いたセラミック材料の解析"
佐藤幸生，
第120回強誘電体研究会，東京理科大学，2011年12月16日（domestic）
"若手研究者の皆様へ 〜これまでの体験談から〜"
佐藤幸生，
特定領域研究第４回若手の会，師崎荘（愛知），2011年9月28日（domestic）
"Atomic-scale investigations of nano-scale regions in electroceramics through scanning transmission electron microscopy"
Y. Sato, T. Mizoguchi, N. Shibata, T. Yamamoto, T. Hirayama, and Y. Ikuhara,
5th Meeting of the International Union of Microbeam Analysis Societies (IUMAS-V),
Seoul Olympic parktel, Korea, 2011. 5. 23.
“セラミック材料の粒界・界面超高分解能観察”
佐藤幸生，
日本顕微鏡学会，第35回関東支部講演会，東京大学武田ホール，2011年3月5日
“電子セラミックス中の局所領域における電子顕微鏡を用いた構造解析”
佐藤幸生，溝口照康，柴田直哉，山本剛久，平山司，幾原雄一
日本顕微鏡学会，第66回学術講演会，名古屋国際会議場，2010年5月25日
“収差補正レンズとその応用”
佐藤幸生，
中部イノベーション創出共同体「提案型連携構築事業」スクール（電子顕微鏡）について，（財）ファインセラミックスセンター，2009年1月13日
“ZnO[0001]対称傾角粒界における原子構造とPr偏析”
佐藤幸生，
第46回ナノ粒子研究会，ファインセラミックスセンター，2009年3月12日
“酸化亜鉛セラミックス単一粒界の原子構造と電気特性”
佐藤幸生，
第８回けいはんな新産業創出・交流センターシーズフォーラム，関西経済連合会 大会議室
（中之島センタービル），2008年7月29日
“電子セラミックZnO双結晶の粒界原子構造と電気特性”
佐藤幸生，
SMBC第15回研究会，工学院大学，2006年7月5日
"電子セラミックスにおける微細構造と物性の相関に関する研究"
佐藤幸生，
日本セラミックス協会2013年年会，東京工業大学，2013年3月18日（進歩賞受賞講演）（domestic）
"Domain response by electric fields in PMN-PT: An in-situ transmission electron microscopy study"
Yukio Sato, Tsukasa Hirayama, and Yuichi Ikuhara,
The 9th Korea-Japan Conference on Ferroelectrics (KJC-FE09), University of Ulsan, Ulsan, Korea, 2012.8.10. (Invited)
"透過型電子顕微鏡法を用いたセラミック材料の解析"
佐藤幸生，
第120回強誘電体研究会，東京理科大学，2011年12月16日（domestic）
"若手研究者の皆様へ 〜これまでの体験談から〜"
佐藤幸生，
特定領域研究第４回若手の会，師崎荘（愛知），2011年9月28日（domestic）
"Atomic-scale investigations of nano-scale regions in electroceramics through scanning transmission electron microscopy"
Y. Sato, T. Mizoguchi, N. Shibata, T. Yamamoto, T. Hirayama, and Y. Ikuhara,
5th Meeting of the International Union of Microbeam Analysis Societies (IUMAS-V),
Seoul Olympic parktel, Korea, 2011. 5. 23.
“セラミック材料の粒界・界面超高分解能観察”
佐藤幸生，
日本顕微鏡学会，第35回関東支部講演会，東京大学武田ホール，2011年3月5日
“電子セラミックス中の局所領域における電子顕微鏡を用いた構造解析”
佐藤幸生，溝口照康，柴田直哉，山本剛久，平山司，幾原雄一
日本顕微鏡学会，第66回学術講演会，名古屋国際会議場，2010年5月25日
“収差補正レンズとその応用”
佐藤幸生，
中部イノベーション創出共同体「提案型連携構築事業」スクール（電子顕微鏡）について，（財）ファインセラミックスセンター，2009年1月13日
“ZnO[0001]対称傾角粒界における原子構造とPr偏析”
佐藤幸生，
第46回ナノ粒子研究会，ファインセラミックスセンター，2009年3月12日
“酸化亜鉛セラミックス単一粒界の原子構造と電気特性”
佐藤幸生，
第８回けいはんな新産業創出・交流センターシーズフォーラム，関西経済連合会 大会議室
（中之島センタービル），2008年7月29日
“電子セラミックZnO双結晶の粒界原子構造と電気特性”
佐藤幸生，
SMBC第15回研究会，工学院大学，2006年7月5日
"電子セラミックスにおける微細構造と物性の相関に関する研究"
佐藤幸生，
平成２４年度日本セラミックス協会進歩賞，2013年6月8日
Y. Sato, F. Oba, M. Yodogawa, T. Yamamoto, Y. Ikuhara, and T. Sakuma,
“Electrical properties across [0001] twist boundaries in ZnO Bicrystals”
Third prize at poster session, First Kyoto Workshop on Computational Materials Science,
Fukui Institute for Fundamental Chemistry, Kyoto University, Kyoto, Japan, Mar 2-4, 2003.
佐藤幸生，淀川正忠，山本剛久，大場史康，幾原雄一，
「ZnO粒界における電流−電圧特性の粒界性格依存性」
日本セラミックス協会，第29回セラミックスに関する顕微鏡写真展，優秀賞，2004年3月23日
Y. Sato, J. P. Buban, T. Mizoguchi, N. Shibata, F. Oba, M. Yodogawa, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
“Atomic-scale mechanism of dopant-controlled nonlinear current-voltage characteristics in ZnO grain boundary”
Graduate student gold award, Materials Research Society 2005 fall meeting,
Sheraton Hotel and Hynes convention center, Boston, MA, USA, Nov. 30, 2005.
Y. Sato,
“Atomic Structure and Electrical Property of ZnO Single Grain Boundaries”
Award for Encouragement of Research of Materials Science
16th Symposium of Materials Research Society of Japan, Nihon University, Tokyo, Japan, Dec. 28, 2005.
Y. Sato, J. P. Buban, T. Mizoguchi, N. Shibata, M. Yodogawa, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
“Pr segregation at a ZnO single grain boundary”
2nd place winner in a TEM class, Ceramographic Exhibition in The American Ceramic Society.
Materials Science & Technology 2006 Conference and Exhibition, Duke energy center, Cincinnati, OH, USA. Oct. 15-19, 2006.
Y. Sato, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
“Atomic Structures and Electrical Properties of ZnO Grain Boundaries”
Ross Coffin Purdy Award, The American Ceramic Society.
2008 Honors & Awards Banquet, Westin Convention Center, Pittsburgh, PA, USA. Oct. 6, 2008.
Y. Sato, T. Mizoguchi, N. Shibata, T. Yamamoto, and Y. Ikuhara,
“Atomic-Scale Structures of ZnO [0001] Tilt Grain Boundaries”
Award for Encouragement of Research in Thin Films,
15th International Conference on Thin Films, Kyoto Terrsa, 2011.11.11
Please contact Dr. Sato for more details.
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