2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of high-performance lead-free piezoelectric single crystals by AC-poling
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23K04370
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
藤井 一郎 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (20597645)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 非鉛圧電材料 / 単結晶 / 固相結晶成長法 / チタン酸バリウム / チタン酸ビスマスナトリウム / ニオブ酸カリウムナトリウム / 強誘電体 / 圧電体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、３種類の非鉛圧電単結晶試料の圧電特性とドメイン構造へのACポーリングの効果を調査する。１年目ではその準備として各単結晶について次の研究を行った。
（１）BaTiO3単結晶：共振法で＜110＞方向と<111>方向の圧電定数d33とd31を測定するための単結晶試料を購入した。受け取った単結晶試料のドメイン構造を偏光顕微鏡と圧電応答顕微鏡を用いて観察した。これに先立ち圧電応答顕微鏡は譲り受けたものをメーカーによる立ち上げ作業と動作確認を行った。単結晶試料の誘電特性、強誘電特性を評価した。dcポーリングを行い、d33メータや共振法を用いて圧電特性を評価した。
（２） 0.85(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.15BaTiO3単結晶：固相結晶成長法で｛110｝面を持つ単結晶を作製する焼結条件を見出した。誘電特性の温度依存性を評価し、キュリー温度が250℃程度であることを確認した。強誘電性、圧電性を評価するにあたり、リーク電流抑制のためにMnO2を添加した単結晶試料を作製した。この試料について強誘電性の分極曲線を観察できた。dcポーリング後のd33は118 pC/Nであることがわかった。
（３）(K,Na)NbO3系単結晶：固相結晶成長法で｛110｝面をもつ単結晶を作製するときのMnO2添加量が結晶成長と強誘電特性・圧電特性に与える影響について調査を行った。MnO2添加量は0, 0.1, 1 wt%と変化させた。いずれの添加量でも単結晶が成長することがわかった。MnO2添加量が0 wt%の単結晶では分極が飽和した分極曲線が観察されなかったが、MnO2添加量が0.1, 1 wt%の単結晶では分極が飽和した分極曲線が観察された。dcポーリングを行ったMnO2添加量が1 wt%の単結晶ではd33=300 pC/N程度の圧電特性が得られることがわかった。
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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
本研究では、３種類の非鉛圧電単結晶試料の圧電特性とドメイン構造へのACポーリングの効果を調査する。各単結晶についての現在までの進捗状況は次のとおりである。
（１）BaTiO3単結晶：共振法で＜110＞方向と<111>方向の圧電定数d33とd31を測定するための単結晶試料を購入した。受け取った単結晶試料のドメイン構造を偏光顕微鏡と圧電応答顕微鏡を用いて観察した。これに先立ち圧電応答顕微鏡は譲り受けたものをメーカーによる立ち上げ作業と動作確認を行った。単結晶試料の誘電特性、強誘電特性を評価した。dcポーリングを行い、d33メータや共振法を用いて圧電特性を評価した。
（２） 0.85(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.15BaTiO3単結晶：固相結晶成長法で｛110｝面を持つ単結晶を作製する焼結条件を見出した。誘電特性の温度依存性を評価し、キュリー温度が250℃程度であることを確認した。強誘電性、圧電性を評価するにあたり、リーク電流抑制のためにMnO2を添加した単結晶試料を作製した。この試料について強誘電性の分極曲線を観察できた。dcポーリング後のd33は118 pC/Nであることがわかった。
（３）(K,Na)NbO3系単結晶：固相結晶成長法で｛110｝面をもつ単結晶を作製するときのMnO2添加量が結晶成長と強誘電特性・圧電特性に与える影響について調査を行った。MnO2添加量は0, 0.1, 1 wt%と変化させた。いずれの添加量でも単結晶が成長することがわかった。MnO2添加量が0 wt%の単結晶では分極が飽和した分極曲線が観察されなかったが、MnO2添加量が0.1, 1 wt%の単結晶では分極が飽和した分極曲線が観察された。dcポーリングを行ったMnO2添加量が1 wt%の単結晶ではd33=300 pC/N程度の圧電特性が得られることがわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
３種類の非鉛圧電単結晶試料の圧電特性とドメイン構造へのACポーリングの効果を調査するために、今後、次のような研究を実施する。
（１）BaTiO3単結晶：温度、電界強度、周波数、電界印加回数を変化させてACポーリングを行い、圧電定数d33とd31を測定する。また、いくつかのACポーリング条件においてドメイン構造を観察する。ドメイン構造と圧電定数の関連について調査する。
（２） 0.85(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.15BaTiO3単結晶：固相結晶成長法で｛100｝面を持つ単結晶、｛111｝面を持つ単結晶を作製する焼結条件を調査する。それら単結晶の誘電特性、強誘電性、圧電性の評価を行う。
（３）(K,Na)NbO3系単結晶：固相結晶成長法で｛110｝面をもつ単結晶を作製する。温度、電界強度、周波数、電界印加回数を変化させてACポーリングを行い、圧電定数d33を測定する。また、いくつかのACポーリング条件においてドメイン構造を観察する。ドメイン構造と圧電定数の関連について調査する。
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| Causes of Carryover |
当該助成金が生じた状況としてはBaTiO3結晶の一部の購入を他の予算で賄うことができたためである。次年度使用額は、国際学会参加のための旅費に当てる予定である。
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