2015 Fiscal Year Research-status Report
ビスマス系非鉛圧電セラミックスと電極との反応・拡散に関する研究
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15K05667
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
永田 肇 東京理科大学, 理工学部, 准教授 (70339117)
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2015-10-21 – 2018-03-31
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| Keywords | 非鉛圧電セラミックス / 銀電極 / 拡散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在、圧電セラミックスは様々な電子機器に幅広く使用されていが、このほとんどが地球環境に有害な鉛を含んだPb(Zr,Ti)O3 (PZT)を主成分としている。近年、環境負荷低減の観点から非鉛圧電材料の開発が強く要求されている。非鉛圧電材料の中で比較的圧電性の大きいものは、ペロブスカイト構造で、(Bi1/2K1/2)TiO3 (BKT)、(Bi1/2Na1/2)TiO3 (BNT)などが注目されている。一方、これらの圧電材料を電子デバイスに用いる場合、銀(Ag)やパラジウム(Pd)といった電極を用いる必要がある。また、用途によってはセラミックスと電極の共焼成が必要な場合もある。その際、電極剤と圧電材料との反応や拡散といった問題は、素子の性能や信頼性に強く影響を及ぼすため、たいへん重要である。そこで、本課題研究ではBi系ペロブスカイト構造強誘電体セラミックス中へのAg電極の拡散挙動を評価した。
BKTおよびBNTセラミックスに対してAgの熱拡散処理を行った後、その拡散プロファイルやイオン像は2次イオン質量分析計（SIMS）を用いて測定した。BKT中へのAgの深さ方向プロファイルから、その拡散係数は、鉛系セラミックスにおけるAgの粒界拡散係数よりも2桁ほど大きい結果を示したが、活性化エネルギーは、鉛系の試料と同様な値を得られた。このことから、鉛系の試料と同様の拡散機構を持つと考えられる。また、BNT中へのAgのイオン像よりAgが粒界を通って拡散していることが確認された。また、拡散係数については、鉛系の試料の粒界拡散の拡散係数とほぼ同様な値が得られた。以上より、Bi系ペロブスカイト型強誘電体中へのAgの拡散は、PZT系と近い挙動を示すことを明らかにした。これは、積層化プロセスや共焼成過程において、鉛系と同様のプロセスデザインがBi系でも可能であることを示唆する結果であると考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本課題研究では、2015年度の目標設定として、非鉛圧電セラミックスの候補であるBi系ペロブスカイト構造強誘電体セラミックス中へのAg電極の拡散挙動を明らかにすることとした。そこで、Bi系ペロブスカイト型強誘電体として、(Bi1/2K1/2)TiO3 (BKT)と(Bi1/2Na1/2)TiO3 (BNT)を選択し、銀(Ag)の拡散挙動について研究を実施した。拡散挙動の分析にあたっては、まず、高密度なＢＫＴ及びＢＮＴセラミックスを作製し、試料表面を鏡面研磨した後、Ag電極を試料の片面に塗布した。Ag電極を塗布した試料は、700℃～950℃で拡散処理を施した後、それらの拡散プロファイルやイオン像をSIMSを用いて取得した。
BKTセラミックス中へのAgの拡散については、AgのBKT中への深さ方向拡散プロファイルから拡散係数Dを求めた。各熱処理温度に対する拡散係数Dからアレニウスの式を算出した結果、D = 2.2×10~6exp {-(283) (kJ･mol-1)/RT} (cm2/s)を得た。この活性化エネルギーは鉛系透明セラミックス(PLZT)の粒界拡散とほぼ等しいことが分かった。BNTセラミックス中へのAg電極の拡散挙動については、まずAgのイオン像を観察した。その結果、粒界に高濃度のAgが存在していたことから、粒界拡散が支配的であることが明確となった。また、拡散プロファイルより求めた拡散係数Dも、PLZTの粒界拡散とほぼ等しい値であった。
以上より、Bi系ペロブスカイト型強誘電体中へのAgの拡散挙動が明らかになってきており、当初の目標を概ね達成したものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、主に焼結助剤を添加したBNT及びBKTセラミックスや、それらの固溶体セラミックスを通常の固相反応法を用いて作製し、低温焼結化への効果を検討する。
電極材料の反応や拡散といった問題は、共焼成時の焼成温度が大きく寄与すると考えられるため、これらの問題の改善・解決にはセラミックスの低温焼結化は欠かせないと考えられる。Bi系強誘電体セラミックスで高密度試料を得るためには、一般にBNT系では1150℃程度、BKT系では1050℃程度の焼成温度が必要であることが知られている。本研究では主に一般的な出発原料からの通常の固相反応プロセスで低温焼結させることを主眼においているため、焼結助剤の添加による低温焼結化を試みる。具体的には、Li, SiO2やB2O3といったガラス成分の添加や、BNTやBKTに含まれるBi, K, Naといった液相成分を過剰添加すること、さらには、これらを組み合わせた例えばビスマスシリケートの添加を試みる。また、これらの添加物では十分な効果が得られなかった場合には、水熱合成などの微粒子生成プロセスと合わせることにより、さらなる低温焼成化に取り組む。
また、焼結助剤を添加して低温焼成した高密度BNT及びBKTセラミックスを対象に、様々な電気的特性評価と行うとともに、Ag-Pd電極との反応や拡散を分析する。Biやアルカリ金属イオンなどの揮発性元素を含むペロブスカイト化合物では、低温焼結によってAサイト欠陥や酸素欠陥の低減に効果的であると考えられることから、拡散の抑制にとどまらず、電気的諸特性や圧電性能の向上も期待される。さらに、ビスマス系強誘電体セラミックスの耐還元性への取り組みも開始する。
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| Causes of Carryover |
本研究課題は、今年度途中からの中途採択で使用期間が短かったこともあり、物品費と旅費の使用において、当初の計画に対して未使用となった予算が発生した。
物品費については、当初計画していたマッフル型電気炉の購入について、当該年度では現有装置を流用して研究を進めたことから購入を見送った。2016年度から実施する低温焼成研究に合わせて再度装置の選定を進めている。
旅費については、研究の進捗状況と当該年度内での適当な学会とのマッチングが合わず、次年度の発表を計画している。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
2015年度に未使用となった物品費と旅費について、2016年度に改めて使用することを計画している。
物品費については、2016年度から実施する低温焼成研究に合わせてマッフル型電気炉の選定を進めており、改めて購入予定である。
旅費については、2016年度中に国内・国際会議での発表を計画しており、その旅費として活用したい。国際会議につては、2016年8月に開催される2016 IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectricsで招待講演を行う予定である。
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