2021 Fiscal Year Research-status Report
Control of Phase Transition Temperature on Environmental Friendly Lead-free Piezoelectric Ceramics based on Bismuth Sodium Titanate
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20K04564
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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, 理工学部電気電子情報工学科, 教授 (70339117)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 非鉛圧電セラミックス / チタン酸ビスマスナトリウム / 脱分極温度 / 急冷処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
標題のチタン酸ビスマスナトリウム [(Bi1/2Na1/2)TiO3, BNT]系セラミックスは、比較的良好な圧電特性を示すことから非鉛圧電材料の候補材料として注目されている。しかしながら、圧電性が消失する温度（脱分極温度Td）が100～200℃程度とPZT系材料に比べて低く、応用上の大きな足かせとなっている。近年我々は、著BNT系セラミックスを焼成後に1000℃程度から急冷（クエンチ）して作製することにより、優れた圧電性(電気機械結合係数k)を損なうことなく従来のTdより50～80℃程度上昇させられることを実験的に見出した。一方、現段階でそのメカニズム解明への取り組みが不十分な状況であったことから、本研究では、クエンチ処理有無による結晶構造の違いなどを解析するころにより、そのメカニズムについて検討を行った。
これまでのX線回折測定結果から、単体BNTセラミックス試料は菱面晶構造(R3c)を示し、クエンチ処理を施すことにより菱面晶歪み(90o-a)が増加することが分かった。菱面晶構造歪みの増大には、Biイオンのオンセンターが寄与していることも明らかとなったため、BNT単体セラミックスのみならずBiを含むBNT系固溶体セラミックスや(Bi1/2K1/2)TiO3 (BKT)セラミックスに拡張子、クエンチ処理の効果について検討した。その結果、BNT系固溶体やBKTセラミックスにおいてもクエンチ処理により脱分極温度の高温化が確認された。さらに、これらの試料のXRD測定結果から、菱面晶構造に限らず正方晶構造においてもクエンチ処理によって構造歪みが増大していることが分かった。すなわち、BiがAサイトに含まれるAサイト複合型ペロブスカイト強誘電体の相転移制御において、クエンチ処理が有用であることが明らかとなった。
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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
Biをペロブスカイト構造のAサイトに含むBKTやBNT系固溶体セラミックスにおいてクエンチ処理を施したところ、いずれの組成系においても約50℃程度の脱分極温度Tdの高温化がみられた。XRD測定結果から、菱面晶構造に限らず正方晶構造においてもクエンチ処理によって構造歪みが増大していることが分かった。さらに、精密構造解析の結果から、クエンチ処理した試料では、Biイオンの原子変位パラメータが減少しており、格子の揺らぎが抑制されていることが確認された。また、誘電率と誘電損失の温度依存性測定の結果から、クエンチ処理した試料では相転移温度付近（脱分極温度Td）での誘電損失変化の急峻性が大きくなっており、電気的特性結果的にも散漫性が抑制された結果が示された。すなわち、BNT系セラミックスにおけるクエンチ処理に対しては、ロングレンジのオーダー性の促進が関連しているものと考えらえる。一方で、鉛系のB-siteリラクサー化合物（単結晶）のこれまでの研究などでは、一般に徐冷をゆっくりした方が、オーダー性が増すと考えられることから、本研究の結果は一見矛盾している。BNT系におけるこのような矛盾した傾向は、ある意味新規な振る舞いと言え、興味深い。この背景として、Biのオフセンター、クエンチによるBiイオンの111方向への変位拡大とオーダー性の増加、菱面晶歪みの増加とTd上昇といったメカニズムが密接かつ複雑に関連していると考えられる。すなわち、BNTやBKTは孤立電子対を持つ重いBiイオンがペロブスカイト構造のA-siteで複合化された材料であり、これが、クエンチによる新規な材料物性制御の根底にあるものと推察される。言い換えると、一般に不均質性を促進すると考えられる「急冷」という非平衡プロセスを用いて、ビスマス系Aサイト複合ペロブスカイト型強誘電体の新規な材料物性制御が行える可能性が示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述の通り、クエンチ処理によるTdの高温化は、BNT系固溶体セラミックスの広い組成範囲において有用であることが明らかとなった。正方晶組成を有するBaTiO3やBKT組成とBNTとの固溶体セラミックスでは、菱面晶組成との構造相転移組成（Morphotropic Phase Boundary, MPB）を持つことが知られている。MPB組成を有する強誘電体セラミックスは、同組成において大きな圧電性を示すことから応用上たいへん重要な組成となっている。とりわけBNT系セラミックスは超音波デバイスなどのいわゆるハイパワー圧電特性が比較的優れることに加え、MPB組成においてもクエンチ処理によってTdの高温化が確認されたことから、クエンチ処理によるハイパワー圧電特性への寄与が気になるところである。
これまでの研究から、クエンチ処理による電気機械結合係数kの低下は見られなかったものの、圧電定数dの若干の低下がみられた。一方で、ハイパワー圧電特性において重要なパラメータである機械的品質係数Qmや振動速度vに対するクエンチ処理の効果については、これまで十分に研究が行われていなかった。そこで、MPBを含むBNT系固溶体セラミックス組成を対象とし、クエンチ処理によるハイパワー圧電特性評価を実施する。我々はこれまでに、レーザードップラー振動計を用いた圧電振動子の共振大振幅駆動評価システムを構築しており、本システムも用いて評価を進める。
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| Causes of Carryover |
物品費用の端数として適当な額の支出用途が見当たらなかった為、残額として生じた。次年度は、研究遂行のための物品費として活用予定。
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