2020 Fiscal Year Research-status Report
Creation of Giant Piezoelectric Transducer Thin Film with High Curie Point and Breaking Performance Limit of Piezoelectric MEMS
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19K05231
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
吉田 慎哉 東北大学, 工学研究科, 特任准教授 (30509691)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 微小電気機械システム（MEMS） / エピタキシャル成長 / 圧電MEMSアクチュエータ / キュリー点変調 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
圧電性と耐熱性とのバランスがよいチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を用いた圧電MEMS（微小電気機械システム）アクチュエータは，既に産業的な成功をおさめている。しかし，PZTの性能の向上化は限界に達しつつあり，デバイス性能もこれにより制限されている。
本研究では，申請者の見出した「強誘電体単結晶薄膜のキュリー点変調技術」を用いて，極めて大きな圧電性能を有しているにもかかわらず，低キュリー点ゆえに実用性に乏しい強誘電体薄膜のキュリー点を引き上げる。これにより，巨大な圧電特性と高耐熱性とを両立する革新的な圧電薄膜をSi基板上に形成することを試みる。そして，超高性能圧電MEMSアクチュエータの実現可能性を実証する。
2020年度は，引き続き，鉛含有リラクサ系強誘電体単結晶薄膜の探索を行った。材料の母材にはマグネシウムニオブ酸鉛・チタン酸鉛（PMN-PT）を選び，それにSmを添加することで巨大圧電性を発現させることを試みた。以下，この材料をSm-PMN-PTと表記する。
スパッタ法によってSi基板上にSm-PMN-PT単結晶膜をエピタキシャル成長させた。成膜条件を最適化することで，001/100優先配向および純ペロブスカイト相を保持したまま膜厚約2umまで厚膜化することに成功した。圧電定数|e31,f|は20C/m^2に達した。この値は，PZTにおいて最高の値を示したNb-doped PZTとほぼ同等である。また，絶縁破壊電圧などの評価も行った結果，良好な耐電圧を示した。また，圧電薄膜の機械的信頼性もまた実用化には重要である。そこで本研究では，圧電単結晶薄膜の靭性の評価方法も開発した。
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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
試作したSm-PMN-PTの圧電定数|e31,f|は20C/m^2に達した。これは，PZTにおいて最高の値を示したNb-doped PZTとほぼ同等である。これを2年目で達成できたことは大きく，今後，組成などを最適化することで，さらなる向上が見込める。したがって，研究進捗はおおむね順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
さらなる圧電定数の向上法を探索する。例えば，分極処理や組成の最適化を行っていく。また，得られたSm-PMN-PT単結晶薄膜の靭性の評価も行っていく。これらを通じて，世界一大きな圧電定数を有し，かつ実用に耐えうる信頼性を有する圧電アクチュエータ薄膜を創製する。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響で，予定していた国際・国内会議での発表が中止となってしまった。また，共用実験設備などの使用が制限されたため，その費用も減った。ゆえに次年度使用額が生じた。
2021年に，装置のメンテナンス，急激な値上がりを起こしているスパッタターゲットなどの物品購入などに使用させていただく予定である。
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