2020 Fiscal Year Annual Research Report
Wurtzite型窒化物圧電体の熱力学的安定性と材料設計指針
| Project/Area Number |
19K15302
|
|---|
| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
|---|
Principal Investigator |
平田 研二 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (40828282)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 窒化物 / 薄膜 / 圧電体 / 第一原理計算 / 平衡状態図 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
Sc添加AlN固溶体の圧電特性はwurtzite相中のSc固溶量に応じて変化するため、Sc濃度に対するwurtzite相の熱力学的安定性は材料設計上、重要である。薄膜における添加元素の固溶挙動は、基板との界面に生じる歪エネルギーや表面エネルギーなどの影響を受けるため複雑である。本研究では、薄膜固有のエネルギーを第一原理計算により評価し、相平衡の熱力学計算に導入した。
Al-Sc-N 3元系の相平衡は実験報告が少なく、熱力学データベースは未整備の状態であった。そこで、第一原理計算やデバイグリュナイゼン近似をCALPHAD法に援用し、熱力学データベースの整備を実施した。本研究で構築した熱力学データベースより計算した1000℃のAl-Sc-N 3元系状態図は、実験により報告されている状態図とよく整合していた。また、50mol%N断面のwurtzite相はSc濃度に対して2相分離する傾向があることがわかった。しかし薄膜の実用材料では、wurtzite相にScは20mol%程度固溶することが知られており、計算結果と符合しない。そこで、基板と薄膜の間に生じる歪エネルギーを算出し、熱力学モデルに反映させたところ、2相分離が抑制されることが示された。したがって、実際の薄膜でウルツ鉱相にScが多く固溶する要因の一つに薄膜と基板の間の歪エネルギーが影響していると考えられる。
また、基板と薄膜の間に生じる歪エネルギーを計算するには、臨界膜厚の情報が必要である。本研究では、wurtzite相とrock salt相の臨界膜厚を第一原理計算により求めた。Wurtzite相については先行研究の結果ともよく整合しており、本計算の信頼性を確認することができた。これにより、薄膜の下地として様々な材料を導入した場合、wurtzite相とrock salt相の安定性の競合を見積もることが可能になった。
|
