Fabrication of Lead-Free Large Piezoelectric Single Crystals by Novel Rapid Solid-state Crystal Growth Method and Elucidation of the Growth Mechanism

新型快速固态晶体生长方法制备无铅大型压电单晶并阐明生长机制

• 批准号: 21K04661
• 负责人: 石井 啓介
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04661/
• 关键词: 非鉛圧電材料; 単結晶; 固相結晶成長; 銅添加; Bサイト過剰組成; 高速固相結晶成長; アルカリニオブ系材料; 圧電単結晶; 異常粒成長; 混合仮焼粉; 高速固相結晶成長法; アリカリニオブ材料

(K,Na)NbO3(KNN)の高速固相結晶成長において、0.5%～6%のCuO添加が結晶成長に及ぼす影響を明らかにした。XPS、XPD測定の結果、成長した大型単結晶に隣接する多結晶領域にはCuOおよびCu2Oが偏析していることが判明した。CuO添加量1.5%以下では、CuO添加量と単結晶の成長性とは正の相関を示し、それ以上では、負の相関が観察された。軌道放射光を用いた高精度XRD測定に行ったところ、CuO添加量1.5%以上の仮焼粉中からは CuO相の著しい析出が検出された。この結果より、結晶成長の過程でKNNから排出されたCuが結晶成長界面で第二相による液相を形成すること、この液相は適量であれば原子拡散を促進するが、多すぎると拡散に要する距離が増大し原子の移動を抑制することが示され、添加されたCuOが高速結晶成長法に及ぼす影響と仕組みが見出された。上記に加え、重要な作製パラメータであるBサイト過剰率を従来よりも広い範囲で可変させた結果、0.75 %～1.75 %のBサイト過剰率において単板状単結晶が得られた。特に1.00 %～1.25 %が単板状単結晶の作製に適していることが判明し、昨年度までよりもプロセスウィンドウを大幅に拡大することに成功した。ESR分析から、Bサイト過剰率とBi2O3添加量が仮焼粉中の酸素空孔濃度を変化させることも明らかとなった。酸素空孔濃度は結晶成長を促進させることが知られているため、高速固相結晶成長では酸素空孔濃度の増減を介しBサイト過剰率とBi2O3添加量が結晶成長の活性度を制御している機構が解明された。

我们阐明了 (K,Na)NbO3 (KNN) 高速固相晶体生长过程中添加 0.5% 至 6% CuO 对晶体生长的影响。 XPS和XPD测量的结果发现，CuO和Cu2O在与生长的大单晶相邻的多晶区域中偏析。当CuO添加量为1.5％以下时，CuO添加量与单晶生长呈正相关，高于此则呈负相关。使用轨道同步辐射的高精度 XRD 测量表明，在含有 1.5% 或更多 CuO 的煅烧粉末中检测到明显的 CuO 相沉淀。这些结果表明，在晶体生长过程中从KNN中排出的Cu在晶体生长界面处形成第二液相，并且该液相如果适量的话会促进原子扩散，但是如果过多的话，会导致结果表明，晶体生长所需的距离增加，原子的运动受到抑制，发现了添加CuO对高速晶体生长方法的影响和机理。除此之外，通过在比传统方法更宽的范围内改变重要的生产参数B位过剩率，我们能够获得B位过剩率为0.75的单板状单晶。 % 至 1.75%。特别是，发现1.00％至1.25％适合生产单片状单晶，与去年相比，我们成功地显着扩大了工艺窗口。 ESR分析还表明B位过量率和Bi2O3添加量改变了煅烧粉末中的氧空位浓度。众所周知，氧空位浓度促进晶体生长，因此在高速固相晶体生长中，B位过剩率和Bi2O3添加量通过增加和降低氧空位浓度来控制晶体生长的活性，其机制如下。这一点已经得到阐明。

项目成果

Conditions of large unitary (K, Na)NbO₃ system single crystals for rapid solid-state crystal growth method

大单一(K,Na)NbO₃系单晶快速固相生长方法的条件

• DOI: 10.35848/1347-4065/acbd7b
• 发表时间: 2023
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Morimoto Takaaki;Shimono Seiya;Yoshiichi Yuto;Kishimura Hiroaki;Ishii Keisuke
• 通讯作者: Ishii Keisuke

混合仮焼粉による(K,Na)NbO3系結晶粒の成長促進効果

混合煅烧粉体对(K,Na)NbO3基晶粒的生长促进作用

• 发表时间: 2022
• 作者: 石井啓介;森本貴明
• 通讯作者: 森本貴明

高速固相成長した(K,Na)NbO3単結晶におけるCuの偏析

快速固相生长的 (K,Na)NbO3 单晶中 Cu 的偏析

• 发表时间: 2021
• 作者: 森本 貴明;笹島 宏青; 石井 啓介
• 通讯作者: 石井 啓介

(K,Na)NbO3単結晶の高速固相成長における CuO 添加の役割

添加 CuO 在 (K,Na)NbO3 单晶快速固相生长中的作用

• 发表时间: 2022
• 作者: 森本 貴明;下野 聖矢;笹島 宏青;石井 啓介
• 通讯作者: 石井 啓介

Effects of Cu addition on rapid solid-state crystal growth of (K,Na)NbO₃ single crystals

Cu添加对(K,Na)NbO₃单晶快速固相生长的影响

• DOI: 10.35848/1347-4065/ac7ea8
• 发表时间: 2022
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Morimoto Takaaki;Shimono Seiya;Yoshiichi Yuto;Kishimura Hiroaki;Ishii Keisuke
• 通讯作者: Ishii Keisuke