エピタキシャル成長したビスマス層状構造強誘電体ナノプレートの創製と応用

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23560874
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 小舟 正文 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90240960)
• Keywords: 薄膜プロセス / 強誘電体 / ナノプレート / ナノ材料

Research Abstract

過去二年間において種々の検討を行い合成に成功したBi3.25Nd0.75Ti3O12 (BNT-0.75)ナノプレートについてさらなる強誘電性(特に残留分極、2Pr)の向上を目指してNdサイトへのイオン半径の小さいEu3+置換効果を検討した。具体的には、高温スパッタ法により導電性Nb:TiO2(101) (Nb=0.79 mass%)基板上にヘテロエピタキシャル成長した厚み約2.2μmの(Bi3.25Nd0.75-xEux)Ti3O12 (BNEuT, x=0-0.75)ナノプレートの作製を試み、これに成功した。作製したBNEuTナノプレートの配向性・結晶性は高分解能薄膜X線装置を、表面及び断面微細構造、超格子構造形成の有無、基板結晶との長距離格子整合性は電界放射型走査電子顕微鏡と高分解能透過型電子顕微鏡を用いて行った。また、強誘電性(P-E特性)及び圧電性(d33-電界特性)は、それぞれ強誘電体テストシステム(RT66A)と圧電応答顕微鏡システム(PFM)を用いて測定した。もっとも優れた強誘電・圧電性を示す組成についてBNEuTナノプレート間隙にエポキシ樹脂を注入・熱硬化処理して超音波トランスデューサを作製した。以上述べた研究成果は下記のとおりである。
(1) 得られたBNEuT膜はa/b軸方向に単一配向し、配向率は99.0-99.8%であった。
(2) BNEuTのc軸長/Nb:TiO2のb軸長=7.15から優れた長距離格子整合性を有することを見出した。
(3) BNEuT-0.10(x=0.10)ナノプレートは最大の2Pr=87 μC/cm2と斜方晶歪(0.0017)を有した。
(4) PFM観察から、x=0.1で最大の圧電定数d33=15 pm/Vを示し、PFM位相像の観察結果よりBNEuTナノプレートはa軸方向に強配向していることを見出した。

Research Products

• [Journal Article] Lattice Distortions and Piezoelectric Properties in (Bi3.25Nd0.75-xEux)Ti3O12 Nanoplates with a- and b-Axis Orientations (2014)
  • Author(s): M. Kobune, T. Kugimiya, Y. Kaneko, S. Ueshima, T. Kikuchi, N. Fukumuro, H. Matsuda, K. Fukushima, H. Fujisawa, S. Nakashima, and M. Shimizu
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 53 Pages: 02BC07-1-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fabrication of Inorganic-Organic Composites Containing Ferroelectric Nanoplates and Evaluation of Their Piezoelectric Response Characteristics (2013)
  • Author(s): R. Kishimoto, M. Kobune, H. Nishioka, T. Kikuchi, H. Kishi, H. Fujisawa, S. Nakashima, M. Shimizu, and S. Kimura
  • Journal Title: J. Korean Phys. Soc. Volume: 62 Pages: 999-1003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of Eu3+ Doping on Characteristics of (Bi3.25Nd0.75)Ti3O12 Nanoplates (2013)
  • Author(s): M. Kobune, Y. Kaneko, R. Kishimoto, T. Kugimiya, S. Ueshima, H. Nishioka, H. Fujisawa, S. Nakashima, M. Shimizu, N. Fukumuro, and H. Matsuda
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 52 Pages: 09KA10-1--5
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Structural, and Ferro- and Piezoelectric Characteristics in Epitaxial Eu-Substituted (Bi3.25Nd0.75)Ti3O12 Nanoplates (2013)
  • Author(s): M. Kobune, Y. Kaneko, T. Kugimiya, S. Ueshima, H. Nishioka, T. Kikuchi, S. Nakashima, H. Fujisawa, M. Shimizu, N. Fukumuro, and H. Matsuda
  • Organizer: The 13th International Meeting on Ferroelectricity (IMF-13)
  • Place of Presentation: Krakow, Poland
  • Year and Date: 20130901-20130906
• [Presentation] スパッタ法による層状構造強誘電体のナノプレート化とその長距離格子整合性 (2013)
  • Author(s): 上島慧史、小舟正文、釘宮拓也、金子勇作、西岡洋、菊池丈幸、福室直樹、松田均
  • Organizer: 日本セラミックス協会第８回関西支部学術講演会
  • Place of Presentation: 龍谷大学
  • Year and Date: 20130726-20130726
• [Presentation] Lattice Distortions and Piezoelectric Properties in Epitaxial (Bi3.25Nd0.75-xEux)Ti3O12 Nanoplates (2013)
  • Author(s): T. Kugimiya, M. Kobune, R. Kishimoto, Y. Kaneko, S. Ueshima, H. Nishioka, T. Kikuchi, S. Nakashima, H. Fujisawa, and M. Shimizu
  • Organizer: The 4th International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials and Related Nanotechnologies (EM-NANO)
  • Place of Presentation: Kanazawa, Ishikawa, Japan
  • Year and Date: 20130617-20130620
• [Presentation] (Bi3.25Nd0.75)Ti3O12ナノプレートの諸特性に及ぼすＥｕ３＋添加効果 (2013)
  • Author(s): 金子勇作、小舟正文、岸本亮、釘宮拓也、上島慧史、西岡洋、菊池丈幸、藤澤浩訓、中嶋誠二、清水勝
  • Organizer: 第３０回強誘電体応用会議
  • Place of Presentation: コープイン京都、日本
  • Year and Date: 20130522-20130525