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PZT thin film with perfectly in-plane polarization orientation for 5G high-speed communication technology

Research Project

Project/Area Number 20K15372
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
Research Institution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)

Principal Investigator

Ehara Yoshitaka  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), 電気情報学群, 講師 (00868755)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords強誘電体 / 強弾性ドメイン / 圧電体 / エピタキシャル膜 / 強誘電体薄膜 / 電界下in-situ測定 / エピタキシャル成長 / 圧電体薄膜 / 完全a軸配向膜 / ドメインスイッチング
Outline of Research at the Start

Pb(Zr,Ti)O3圧電 MEMS デバイスは様々な応用で実用化されつつあるが、その中でも次世代の高速通信技術(5G)の候補であるRF-MEMS スイッチへの搭載に期待が高まっている。しかし圧電特性は高速で電圧印加すると特性が著しく減少する問題がある。理由は圧電特性に大きく寄与する非分極軸ドメインのスイッチングが高速では追従しないためであると言われているが、非分極軸配向に制御された薄膜材料作製の難しさから直接確認されたことはない。
そこで、完全に非分極軸に配向した膜の作製、その電気特性及び電界下の構造解析を行い、将来の高速通信機器に応用へと展開するための材料設計の基盤を確立する。

Outline of Final Research Achievements

(1) Preparation of a ferroelectric film with perfectly in-plane polarization orientation and film thickness dependence of its structure were carried out. As a result, it was confirmed that a ferroelastic domain was generated when the critical film thickness was about 90 nm. (2) To investigate the relationship between the ferroelastic domain switching amount and the crystal structure, various Zr amounts were dissolved in the film to form a thin film. As Zr increased, the film thickness region where the ferroelastic domain was introduced expanded. (3) The ferroelastic domain switching speed was investigated using synchrotron radiation X-ray diffraction (SPring-8). As a result of observing a voltage of several hundred nanoseconds, it was confirmed that the square structure with a small Zr ratio has a superior response speed in the high-frequency region (several MHz or more).

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

高周波における強弾性ドメインの応答性に関する成果は、非鉛材料にも展開できる可能性がある。実際に非鉛圧電材料でもドメイン回転の寄与がPZTと同様にユニバーサルな振る舞いを示すことも確認できており、アクチュエータデバイスの材料技術を維新する存在となる。
これにより電子機器による環境汚染の低減と持続可能な技術として社会的問題解決に貢献ができると期待している。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (9 results)

  • [Journal Article] Enhancement of crystal anisotropy and ferroelectricity by decreasing thickness in (Al,Sc)N films2022

    • Author(s)
      Shinnosuke Yasuoka、Ryoichi Mizutani、Reika Ota、Takahisa Shiraishi、Takao Shimizu、Shintaro Yasui、Yoshitaka Ehara、Ken Nishida、Masato Uehara、Hiroshi Yamada、Morito Akiyama、Yasuhiko Imai、Osami Sakata、Hiroshi Funakubo
    • Journal Title

      Journal of the Ceramic Society of Japan

      Volume: 130 Pages: 1-6

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 高速電界印加時のドメイン構造変化を利用した高性能 PZT 薄膜の開発2021

    • Author(s)
      江原 祥隆、清水 荘雄、舟窪 浩
    • Journal Title

      セラミックス

      Volume: 56 Pages: 459-462

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] Influence of cooling rate on ferroelastic domain structure for epitaxial (100)/(001)-oriented Pb(Zr, Ti)O3 thin films under tensile strain2021

    • Author(s)
      Ehara Yoshitaka、Ichinose Daichi、Kodera Masanori、Shiraishi Takahisa、Shimizu Takao、Yamada Tomoaki、Nishida Ken、Funakubo Hiroshi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Issue: SF Pages: SFFB07-SFFB07

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac10f7

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Domain structure transition in compressively strained (100)/(001) epitaxial tetragonal PZT film2021

    • Author(s)
      Ichinose Daichi、Shimizu Takao、Sakata Osami、Yamada Tomoaki、Ehara Yoshitaka、Funakubo Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Applied Physics

      Volume: 129 Issue: 2 Pages: 024101-024101

    • DOI

      10.1063/5.0031803

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Temperature dependence on the domain structure of epitaxial PbTiO3 films grown on single crystal substrates with different lattice parameters2020

    • Author(s)
      Ehara Yoshitaka、Nakashima Takaaki、Ichinose Daichi、Shimizu Takao、Yamada Tomoaki、Nishida Ken、Funakubo Hiroshi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 59 Issue: SP Pages: SPPB01-SPPB01

    • DOI

      10.35848/1347-4065/aba2bf

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 薄膜化による(Al,Sc)N膜の結晶異方性及び強誘電特性の向上2022

    • Author(s)
      安岡 慎之介、水谷 涼一、大田 怜佳、白石 貴久、清水 荘雄、安井 伸太郎、江原 祥隆、西田 謙、上原 雅人、山田 浩志、秋山 守人、今井 康彦、坂田 修身、舟窪 浩
    • Organizer
      第69回 応用物理学会 春季学術講演会
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  • [Presentation] エピタキシャル BZT 膜の結晶構造と高周波領域における電気的特性2021

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      髙橋 良,安井 伸太郎、白石貴久、舟窪 浩、澤井 眞也、濵嵜 容丞、江原 祥隆、西田 謙
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      第60回セラミックス基礎科学討論会
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  • [Presentation] 面内引張り歪みを持つ正方晶 Pb(Zr,Ti)O3エピタキシャル薄膜の冷却条件によるドメイン構造への影響2021

    • Author(s)
      江原 祥隆,一ノ瀬 大地、小寺正徳、森川友秀、白石貴久、清水 荘雄、山田 智明,舟窪 浩、西田 謙
    • Organizer
      第38回強誘電体応用会議
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] MgO 単結晶基板上に(100)配向したエピタキシャルBa(ZrxTi1-x)O3薄膜の結晶構造と電気的特性2021

    • Author(s)
      髙橋 良,江原 祥隆,安井 伸太郎、白石貴久、舟窪 浩、西田 謙
    • Organizer
      日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
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  • [Presentation] 分極軸配向正方晶PZTエピタキシャル膜の圧電評価2021

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      大越 春香、舘山 明紀、白石 貴久、江原 祥隆、西田 謙、舟窪 浩
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      第82回 応用物理学会 秋季学術講演会
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  • [Presentation] 種々のZr/(Zr+Ti)比を有する分極軸配向正方晶PZTエピタキシャル膜の特性評価2021

    • Author(s)
      大越 春香、森川 友秀、舘山 明紀、小寺 正徳、白石 貴久、江原 祥隆、舟窪 浩
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 面内分極配向したPbTiO3薄膜のa1/a2ドメイン構造の膜厚依2020

    • Author(s)
      江原 祥隆,中島 崇明,一ノ瀬 大地,清水 荘雄,西田 謙,山田 智明,舟窪 浩
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 格子定数の異なる単結晶基板上に作成したPbTiO3エピタキシャル薄膜の構造変化2020

    • Author(s)
      江原 祥隆,一ノ瀬 大地,中島 崇明,清水 荘雄,山田 智明,舟窪 浩,西田 謙
    • Organizer
      第37回強誘電体応用会議
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 歪フリーなPb(Zr0.5Ti0.5)O3薄膜の作製法の検討2020

    • Author(s)
      森川 友秀,小寺 正徳, 江原 祥隆, 清水 荘雄, 舟窪 浩
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会(2020.9)
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      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2023-01-30  

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