歪制御した強誘電体薄膜の圧電特性とＭＥＭＳ超音波トランスデューサへの応用

应变控制铁电薄膜的压电特性及其在MEMS超声换能器中的应用

基本信息

批准号：
15J12596
负责人：
苅谷健人
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Osaka Prefecture University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J12596/
关键词：
圧電強誘電体ドメインプローブ顕微鏡 MEMS 薄膜センサ

项目摘要

強誘電体薄膜の圧電応答は、分域内の自発分極の伸縮と回転に加え、分域壁の運動や振動が重畳した複雑なものである。これらの寄与を包括的に理解し最適化する方法の確立は、高効率な圧電MEMS素子の開発に有効であると期待できる。本研究では非鉛強誘電体薄膜として期待されているBiFeO3薄膜の正圧電特性の微視的解析に取り組んだ。開発した正圧電応答顕微鏡(DPRM)と従来の圧電特性評価手法を組み合わせることで、本年は以下の成果を得た。1) DPRMと従来の顕微鏡手法(PFM)の比較からDPRMはナノスケールレベルの空間分解能を有していることが明らかになった。また、DPRMとPFMでは同一の分域パターンが観察される一方で、大きな正圧電応答を有する分域と逆圧電応答を有する分域は相互排他的な関係にあることも明らかになった。2) 巨視的-微視的領域間の正圧電特性の比較と有限要素法によるDPRMの出力特性の解析結果から、DPRMを用いた正圧電特性の定量解析が可能であることが示唆された。3) PFMを用いて精密に分域構造を決定する方法を確立し、DPRMと組み合わせることで、正圧電応答への分域構造の寄与について詳細に解析した。BiFeO3薄膜中に形成される数種類の分域壁の内、膜厚方向に傾斜した71°分域壁の近傍で大きな正圧電応答が得られることが分かり、71°分域壁を有する分域の正圧電応答は有さない分域と比較して最大で40%程大きくなること、71°分域壁密度の増大によりBiFeO3薄膜の電気機械結合係数をさらに向上できる可能性を見出した。これらの結果は圧電MEMS素子応用に向けた強誘電体薄膜の開発だけでなく、圧電応答の発現機構の解明や鉛系強誘電体における大きな圧電応答の起源の解明においても大きく貢献するものである。

铁电薄膜的压电响应因域内自发极化的膨胀和旋转以及域壁的移动和振动而变得复杂。可以预期，建立一种全面理解和优化这些贡献的方法可以有效地开发高效的压电MEMS设备。这项研究的重点是对Bifeo3薄膜的阳性压电特性的显微镜分析，这些薄膜预计将是无铅铁电薄膜。通过将开发的阳性压电响应显微镜（DPRM）与常规压电特性技术相结合，今年取得了以下结果。 1）DPRM和常规显微镜方法（PFM）之间的比较表明，DPRM具有纳米级水平的空间分辨率。此外，虽然在DPRM和PFM上观察到相同的域模式，但也已经揭示了具有较大正极压电响应的域和具有反向压电响应的域是相互排斥的。 2）使用有限元方法比较宏观和微观区域之间的压电特性以及DPRM对DPRM的输出特征的分析表明，使用DPRM对阳性压电特性进行定量分析。 3）建立了一种精确确定域结构的方法，并与DPRM结合使用，详细分析了域结构对阳性压电响应的贡献。发现发现在BifeO3薄膜中形成的几种类型的域壁的薄膜厚度方向的71°结构壁壁的附近，可以获得很大的积极压电响应，并且该域的正面压电响应是71°域的响应，而没有一个domain的响应，并与40％相比，该结构域的阳性压电响应增加了。域壁密度可以进一步改善BifeO3薄膜的机电耦合系数。这些结果不仅有助于用于压电MEMS设备的铁电薄膜的开发，而且还有助于阐明压电反应的机理以及在基于铅的铁电这些中的压电反应的起源。