水熱合成法による単結晶PZTの合成とその応用

水热合成法合成PZT单晶及其应用

基本信息

批准号：
16760241
负责人：
森田剛
金额：
$ 2.37万
依托单位：
The University of Tokyo (2005)Tohoku University (2004)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

圧電材料は、電気機械エネルギー変換を行う機能性材料であり、薄膜化によるマイクロアクチュエータやセンサ、超音波トランスデューサの研究が進められている。薄膜プロセスには多種多様なものがあるが、その中でも水熱合成法は150℃という極めて低い温度で圧電薄膜を合成できる。今までに、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やチタン酸鉛(PTO)の超高品質なエピタキシャル圧電薄膜を合成し優れた強誘電性を実証してきた。本研究の目的は、これらの薄膜の圧電特性を評価し、圧電アクチュエータ・センサへ応用する礎を築くことにある。本年は、昨年までに明らかにした大面積均一成膜と厚膜化プロセスを取り入れ、430nmのPTOエピタキシャル薄膜を合成した。PTO薄膜は機械的減衰が小さく超音波トランスデューサに適していると期待される。この薄膜の圧電特性を原子間力顕微鏡のZVモードで評価したところ、極めて優れた線形性を有した圧電バタフライ曲線を示した。また、圧電定数は97pC/Nと理論予想値を大きく上回る優れた結果となった。しかし、強誘電特性は100nm厚の約60%にあたる60μC/cm^2に留まり、インプリント電界も上昇した。これは、非線形誘電率顕微鏡の観測から明らかになったように、ドメイン構造が100nm厚の薄膜が完全c軸配向であったのに対してaドメインを若干有していることが原因である。また、基板として用いたSrRuO_3/SrTiO_3単結晶基板との界面層の影響も考慮しなくてはならない。圧電バタフライ曲線の測定に加えて、水熱合成法により成膜したPZTエピタキシャル薄膜のGHz帯での超音波特性を評価した。この結果、PZTにより超音波を発生させることに成功し、基板裏面からの超音波反射を4次エコーまで観測することができた。

压电材料是执行机电能量转化的功能材料，并且在稀薄的微施加器，传感器和超声传感器的领域正在进行研究。有多种薄膜过程，其中，水热合成方法允许在极低的150°C的极低温度下合成压电薄膜。到目前为止，我们已经合成了超高质量的锆钛酸铅（PZT）和钛酸铅（PTO）的超高质量外延压电薄膜，以表现出极好的铁电性。这项研究的目的是评估这些薄膜的压电性能，并为对压电执行器和传感器的应用奠定基础。今年，我们结合了去年揭示的大面积均匀膜形成和增厚过程，并合成了430 nm PTO外延薄膜。 PTO薄膜有望适用于机械阻尼低的超声传感器。在原子力显微镜的ZV模式下评估了该薄膜的压电性能，并显示了具有极好线性性的压电蝴蝶曲线。此外，压电常数为97％/N，这是一个很好的结果，它明显高于理论期望值。但是，铁电性能保持在60μc/cm^2的位置，约占100 nm厚度的60％，印迹电场也增加了。这是因为，正如非线性介电显微镜的观察结果所揭示的那样，具有100 nm厚的域结构的薄膜是完美的C轴取向，而具有域的薄膜具有某些域。此外，还必须考虑将接口层与SRRUO_3/SRTIO_3用作底物的单晶基板的影响。除了测量压电蝴蝶曲线外，还评估了GHz带中由热液合成形成的PZT外延薄膜的超声特性。结果，PZT成功产生了超声波，并且可以观察到从底物的后表面进行超声反射，最多可以观察到4阶回声。