2022 Fiscal Year Annual Research 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℃程度と低く、応用上の大きな足かせとなっている。近年我々は、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、BNTセラミックス試料は室温付近で菱面晶構造(R3c)を示し、クエンチ処理を施すことにより菱面晶の構造歪みが増加することが分かった。また、リートベルト解析やPDF解析から、平均構造として見た原子変位パラメータは、普通焼成BNTでは大きく、クエンチBNTでは小さいこともわかった。すなわち、クエンチ試料はよりオーダーな平均構造を有することが明らかになった。さらにドメイン構造を観察したところ、普通焼成BNTセラミックスのドメインサイズは10-20nm程度であったのに対し、クエンチ処理を施すことによってドメインサイズの拡大(～40nm程度)が観察された。上述した普通焼成BNTの大きな原子変位パラメータは微細なドメインサイズに起因し、ドメインウォール近傍の空間的な構造緩和がその要因であると考えられる。すなわち、クエン処理によってドメインサイズが増大し、ドメインウォール密度が低下したことでオーダーかつ菱面晶歪の大きな構造が実現されたものと考えられる。以上の取り組みを通じてクエンチ処理によるTd高温化メカニズムの一端が明らかとなった。
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