新規ビスマス層状酸化物強誘電体の高性能圧電材料への展開

新型铋层状氧化物铁电材料开发成高性能压电材料

基本信息

批准号：
14750238
负责人：
武田博明
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Nara Institute of Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、エレクトロニクスの分野で実用化されている鉛系ペロヴスカイト型強誘電体の性能に匹敵する、環境に優しい非鉛系材料の研究開発が必要不可欠と考えられている。本研究では非鉛系材料であるビスマス層状構造強誘電体(BLSF)の圧電材料への展開を目的にしている。本年度では、本報告者が見出した新規化合物Na_<0.5>Bi_<2.5>Ta_2O_9(NBT)、不揮発性メモリ材料として注目され圧電特性も期待できるSrBi_2Ta_2O_9(SBT)を中心に、それらのセラミックスを作製し、その電気的特性の評価を行った。また、それらの固溶体であるNBT-SBTについても同様に研究を行った。NBTにおいては、Mnをドープしたセラミックスで考えられうる全ての振動モードでの電気機械結合係数を求めることができた。その値は同構造をもつ他のBLSFと比較すると最大の値を示し、機械的品質係数Q_mに関してもBLSF特有の大きな値を示すことがわかった。また、SBTにおいては大きなk_<ij>とQ_mが得られる組成を探索するため、出発組成を変化させてセラミックスを作製し、その圧電特性について調べた。その結果、Sr_<1-x>Bi_<2+x>Ta_2O_9(x=0.2)とした不定比組成付近で圧電特性が最良となるように変化しており、その組成におけるk_<ij>は同構造のBLSFと比較しても大きな値を示した(k_p=10.6%、k_<33>=14.0%)。さらに、優れた電気特性が見出されたNBT、不定比組成SBT両者の固溶体を形成させることで更に良好な特性をもつ化合物が得られると考え、(1-x)NBT-(x)SBT固溶体セラミックスの作製と評価を行った。その結果、x=0.75とした試料において最も大きな械結合係数k_p、品質係数Q_m(k_p)が得られた。その値はk_p=8.6%,Q_m=7000となり、ベースマテリアルであるx=0(NBT)のk_p=6.6%,Q_m=5600、x=1.0(SBT)のk_p=8.1%, Q_m=6300と比べて大きくなることがわかった。本研究で見出したBLSFは高温・高周波用圧電体素子への応用が期待できることが分かった。

近年来，研究和开发与已在电子领域实际应用的铅基钙钛矿铁电体性能相媲美的环保无铅材料被认为至关重要。本研究的目的是将铋层状结构铁电体（BLSF）（一种无铅材料）开发成压电材料。今年，我们将重点关注本报记者发现的新化合物Na_<0.5>Bi_<2.5>Ta_2O_9（NBT），以及作为非易失性存储材料而备受关注、有望具有压电特性的SrBi_2Ta_2O_9（SBT），并将为其生产陶瓷，并评估其电气特性。我们也对他们的固溶体NBT-SBT进行了类似的研究。在 NBT 中，我们能够确定锰掺杂陶瓷中所有可能振动模式的机电耦合系数。结果发现，与其他具有相同结构的BLSF相比，该值最高，并且机械质量系数Q_m也显示出BLSF特有的大值。此外，为了寻找在SBT中产生大k_<ij>和Q_m的成分，我们通过改变起始成分来制造陶瓷并研究其压电性能。结果，压电性能在Sr_<1-x>Bi_<2+x>Ta_2O_9(x=0.2)的非化学计量组成附近变得最好，并且该组成下的k_<ij>相同。与结构BLSF相比，它也显示出较大的值（k_p=10.6%，k_<33>=14.0%）。此外，我们相信，通过将已发现具有优异电性能的NBT和非化学计量SBT形成固溶体，可以获得具有更好性能的化合物，并且我们开发了(1-生产并评估了x)NBT-(x)SBT陶瓷。结果，对于x=0.75的样品，获得了最大的机械耦合系数k_p和品质系数Q_m(k_p)。其值为k_p=8.6%、Q_m=7000，与基材x=0（NBT）的k_p=6.6%、Q_m=5600相比，以及x=1.0（SBT）的k_p=8.1%、Q_m=6300 ）我发现它变大了。结果发现，本研究中发现的BLSF有望应用于高温和高频应用的压电元件。