非鉛系強誘電体単結晶へのエンジニアード-ドメイン構造の導入による圧電特性の向上

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11555164
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 和田 智志 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (60240545)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 秋山 善一 リコー株式会社, 中央研究所, 係長研究員
• Keywords: 非鉛系強誘電体 / 単結晶 / エンジニアード・ドメイン / 圧電特性 / ドメイン構造制御 / 結晶異方性 / チタン酸バリウム / 圧電デバイス

Research Abstract

本年度は3つの研究テーマについて研究を行った。まず、チタン酸バリウム単結晶における巨大な圧電特性発現のメカニズムの解明を行った。その結果、[111]方向への電圧の印加と共に対称性が正方晶から単斜晶に変化し、[001]方向の自発分極ベクトルがDCバイアスの印加方向、すなわち[111]方向にシフトする現象の測定に成功した。このことは巨大圧電特性発現の仮説とした自発分極の電場印加方向へのシフトモデルを初めて実証したことになる。また、電場の増加に伴い、6kV/cmで[110]方向に自発分極を持つ斜方晶構造に電界誘起相転移を起こすこと、また、更なる電荷印加で、再び[110]方向の自発分極ベクトルが[111]方向にシフトする現象を測定した。従って、本研究でチタン酸バリウム単結晶における巨大な圧電特性発現が自発分極ベクトルの電場印加方向へのシフトが原因となっていることが明らかとなった。
2つめは本年度に計画していたチタン酸ジルコン酸バリウム(BZT)単結晶の育成とそれを用いた圧電特性の測定に関する研究である。BZTはZrを含んでいるため、これまで単結晶を合成するのが非常に困難であることが知られており、単結晶を育成したという報告がほとんどない。そこで、フラックス法を用いて種々の組成のBZT単結晶を育成した。結果として育成できたものの、その大きさは1mmよりも小さく、1辺50μmの立方体状の形状であった。育成条件(温度、仕込み比、昇温・降温速度など)を変化させてもこれ以上の大きさのBZT単結晶を得ることはできず、そこでこの大きさで種々の物性を測定することのできるシステムを開発した。現在までに50μmのBZT単結晶の加工、電極付けに成功し、誘電率などの電気特性の評価に成功した。また50μmという大きさは単結晶の構造解析に最適な大きさであり、更に形状が決まっているので精密な構造解析を行うことができる。現在構造解析を行っており、構造と電気特性との関連を明らかにする。圧電特性については来年度に行う予定である。
3つめはニオブ酸カリウム単結晶にエンジニアード・ドメイン構造を導入することで巨大圧電特性を発現させることを試みた。ニオブ酸カリウムは室温で斜方晶構造を持ち、その自発分極は[110]方向である。従ってエンジニアード・ドメイン構造を導入させるには、[001]及び[111]方向への分極処理が必要 となる。ここでは自発分極方向である[110]方向とエンジニアード・ドメイン構造を導入できる[001]方向の2つの方位の結晶を用いて、その圧電特性を評価した。これまでニオブ酸カリウム単結晶は良質々単結晶を得ることができず、しかも分極処理が困難であることが知られている。そこで、本年度はまず良質な単結晶を探すこと、及び分極処理条件を確立することを目的とした。その結果、日本国内で光学結晶として育成されていたニオブ酸カリウム単結晶が品質が高く、高電圧でも電流を流さず、分極処理を行うことができることを見いだした。そこで、温度、時間、分極電圧、分極電流、昇温・降温速度など種種のパラメータを変えて分極条件を検討した。その結果、ニオブ酸カリウムは斜方晶構造をとるために48類のドメイン構造、すなわち60度、90度、120度、180度ドメイン構造を持っているが、180度ドメイン構造と非180度ドメイン構造とでは分極処理条件が異なることを見いだした。すなわち非180度ドメインは低い電圧で動くことができるもののドメイン移動において大きな歪みを伴うこと、一方180度ドメインは移動に高い電圧を必要とするもののドメイン壁移動の際に歪みを伴わない。そこで、ニオブ酸カリウムの斜方晶から正方晶への相転移温度である220℃より少し低温側になる200℃で低い電圧を印加し分極することで、非180度ドメインのみを動かす。これは200℃という高温で高い電圧を印加すると、僅かであるが電流が流れてしまい分極処理ができなくなるためである。この第1段階終了後に、120℃という比較的低温で高電圧を印加することで残った180度ドメインを反転させる。この分極処理法は初めて開発された方法であり、2段階分極処理法と銘々した。実際、2段階分極処理法を用いることで、初めてニオブ酸カリウム単結晶の分極処理に成功した。分極処理した試料を用いて、k_<31>モードに関する圧電特性を共振反共振法により測定したところ、エンジニアード・ドメイン構造を導入した[001]方位の値のほうが2倍近い高い圧電定数d_<31>を示すことがわかった。更に、通常の歪み-電場曲線の測定より圧電定数d_<33>を測定したところ、[110]分極方向に関しては70pC/N程度の値を示すのに対し、エンジニアード・ドメイン構造を導入した[001]方向に関しては3,000pC/N以上の値を示し、ニオブ酸カリウムが鉛系強誘電体単結晶で報告されたのと同等以上の高い圧電特性を持つことが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] Satoshi WADA: "Dipolar Behavior in PZN Relaxor Single Crystal under Bias Field"Transaction of the Materials Research Society of Japan. 25. 281-284 (2000)
• [Publications] Satoshi WADA: "Change of Macroscopic and Microscopic Symmetries in PZN Relaxor Single Crystal under DC-bias Field"Transaction of the Materials Research Society of Japan. 25. 19-24 (2000)
• [Publications] Satoshi WADA: "Non-180 Degree Domain Contribution in the Dielectric and Piezoelectric Properties of Pb(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)O_3-PbTiO_3 Single Crystals"Transaction of the Materials Research Society of Japan. 25. 177-180 (2000)
• [Publications] Satoshi WADA: "ドメイン構造を制御した強誘電体単結晶における巨大圧電効果の発現"セラミックデータブック2000. 28-82. 187-189 (2000)
• [Publications] Satoshi WADA: "Domain Configurations of Ferroelectric Single Crystals and Their Piezoelectric Properties"Extended Abstracts of 2000 MRS Fall Meeting. 525-525 (2000)
• [Publications] Satoshi WADA: "Enhanced Piezoelectric Property of Potassium Niobate Single Crystals with Engineered Domain Configurations"Extended Abstracts of the 3rd Asian Meeting on Ferroelectrics. 381-381 (2000)