ペロブスカイト構造型単結晶における巨大圧電効果とドメインダイナミクス

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11555233
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 鶴見 敬章 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (70188647)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山下 洋八 (株)東芝, 研究開発センター, 主任研究員 ; 大橋 直樹 物質材料研究機構, 主任研究員 (60251617) ; 和田 智志 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (60240545)
• Keywords: 強誘電体 / 圧電体 / ドメイン構造 / 相転移 / 超音波トランスデゥーサ / チタン酸鉛

Research Abstract

ぺロブスカイト型強誘電体であるPb(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)O_3-PbTiO_3(PZN-PT)単結晶について、巨大圧電効果の発現メカニズムの解明と、医療用超音波トランスデゥーサへの応用における問題点の解決を目的として、昨年度に引き続き研究を行った。本年度は、PTが9mol%固溶した単結晶のドメイン構造の解析を行い、単結晶ウェハー中のドメインは三方晶系71度ドメイン、正方晶系90度ドメイン、および、三方晶系と正方晶系のドメインが複雑に入り組んだランダムドメインから構成されることを見出した。この3つのドメイン構造の電界誘起歪みを昨年度開発したシステムを用いて測定した。その結果、電界誘起歪みは正方晶系ドメイン、ランダムドメイン、三方晶系ドメインの順で大きくなり、特に、三方晶系の大きな歪みは三方晶系から正方晶系への電界誘起相転位によるものであることを明らかにした。このようにPTが9mol%固溶した試料では、ドメイン構造により圧電性が大きく変動し医療用超音波トランスデゥーサとして用いるには適当でないと考えられた。そこで昨年度にPTを7mol%固溶した単結晶を育成し、本年度はドメイン構造の解析と圧電誘起歪みの測定を行った。その結果、この試料においても異なる3つのドメイン構造が確認され、これらドメイン構造では正方晶系相の存在する比率が異なることが明らかとなった。電界誘起歪みは三方晶系相が多く含まれる試料で最も高くなるが、9mol%固溶試料よりも特性のバラツキが抑制されることが判明した。
ドメインダイナミクスに関しては、共振状態でのドメイン壁の運動が圧電定数、誘電率、弾性コンプライアンスの損失に与える影響を明らかにするため、PZT試料について、共振状態の複素アドミタンスを非線形フィッテングすることで、それらの損失を正確に評価するための解析法を開発した。その結果、ドメイン壁の運動は主に弾性コンプライアンスの損失を増加することを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Takaaki TSURUMI: "Dipolar Behavior in PZN Relaxor Single Crystal under Bias Field"Trans. Mater. Res. Soc. Jpn.. 25. 281-284 (2000)
• [Publications] Takaaki TSURUMI: "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"Trans. Mater. Res. Soc. Jpn.. 25. 177-180 (2000)
• [Publications] Takaaki TSURUMI: "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] Takaaki TSURUMI: "Domain Configuration of Ferroelectric Single Crystals and Their Piezoelectric Properties"Trans. Mater. Res. Soc. Jpn.. 26・1. 11-14 (2001)
• [Publications] Takaaki TSURUMI: "Domain Switching Properties of PZN-PT Single Crystals with Engineered Domain Configuration"Key Engineering Materials. 214-215. 9-14 (2001)
• [Publications] Takaaki TSURUMI: "Intrinsic Elastic, Dielectric and Piezoelectric Losses in PZT Ceramics Determined by Immittance Fitting Method"J. Am. Ceram. Soc.. (in print). (2001)