2021 Fiscal Year Annual Research Report
Production of crystallographically-aligned piezoelectric thinfilm by nucleation-controlled hydrothermal synthesis and its evaluation
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19K04108
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
諸貫 信行 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (90166463)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金子 新 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (30347273)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 水熱合成 / 二酸化チタン / チタン酸バリウム / 圧電材料 / 結晶配向 / 結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
原料溶液を密閉容器に入れて一定時間加熱することで材料作成を行う水熱合成法を用い，チタン酸バリウム圧電薄膜の作製技術の確立を進めた．まず，四塩化チタンを主原料とする水熱合成で二酸化チタンを合成した．この時，二酸化チタンと格子定数が近いFTO（フッ素ドープ酸化錫）を基板とすることで結晶成長の起点（核）を制御することができ，基板に垂直に配向したロッドの集合構造が得られた．次いで，水酸化バリウム溶液中で2度目の水熱合成を行って構造中のチタン原子の一部をバリウム原子に置換してチタン酸バリウムとした．1段階目の水熱合成反応時に塩酸を加えて反応速度を調整することができ，適切に濃度を高めることでロッド間に隙間が空いた二酸化チタン構造が得られ，その後のチタン酸バリウムへの変換がよく進むことを明らかにした．4時間の反応で構造の高さは2ミクロン程度であった．
X線回折法で結晶構造を調べたところ，チタン酸バリウム(110)面の強いピークが確認できた．塩酸濃度を適切に高めることで結晶性も向上することが分かった．次いで導電性を有するFTO基板を電極としロッド上面に貼りつけた導電テープをもう一方の電極として電気特性を調べたところ，二酸化チタンからチタン酸バリウムに変化した段階で誘電率が高くなることを確認した．
さらに，ハンマリング試験により圧電特性を評価した．重量4gの鉄球を一定高さから構造上に落下し，電極間の電圧を調べた．比較対照の二酸化チタン膜もわずかな電圧変化が見られたが，チタン酸バリウム構造の場合には有意に高く，また落下高さに応じた電圧変化も見られたため，圧電特性が得られたと判断した．
圧電デバイスとする場合には基板上の所望の場所に構造を配置する必要がある．そこでリソグラフィによって所望のパターン構造を所望の場所に作製できることを示した．例えば最小幅10ミクロンの帯状構造が作成できた．
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