2022 Fiscal Year Annual Research Report
単結晶の巨大圧電性と多結晶の強靭性を併せ持つ革新的圧電トランスデューサ薄膜の創出
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22H01925
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
吉田 慎哉 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (30509691)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | エピタキシャル成長 / PZT / PMN-PT / 圧電薄膜 / コンポジット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）巨大圧電単結晶薄膜の成膜装置および成膜方法の開発
候補の材料の一つとして、Sm添加マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛（Sm-PMN-PT）を検討している。成膜法は、量産性に優れたスパッタ法に決定し、その装置の開発を行った。真空チャンバーや真空部品、計器などを組み上げ、６００℃以上の温度で高温成膜が可能なスパッタ装置を試作した。次に予備実験として、エピタキシャル成長を比較的容易に達成できるチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）の単結晶薄膜のシリコン基板上への形成を試みた。その結果、試作した装置を用いることでPZT単結晶薄膜を成膜できることを確認した。さらに、超音波デバイスを作製してその圧電駆動性能も確認した。
次に、Sm-PMN-PT単結晶薄膜のスパッタ成膜実験を行った。その結果、純ペロブスカイト相の薄膜のエピタキシャル成長には成功した。しかし、その圧電定数|e31,f|は最大で約12C/m^2であり、一般的なPZT薄膜と比較して低い値であった。組成が最適でないことが一因と思われる。また、再現性のよいパイロクロア相の完全抑制は、達成されなかった。この課題は、継続して解決を進める。
（２）圧電単結晶－多結晶コンポジット薄膜のボトムアップ形成法の開発
圧電単結晶薄膜の面内に、任意にデザインした多結晶パターンを形成する術を検討した。まずは、エピタキシャル成長を促すバッファ層表面に、Pt多結晶薄膜をパターニングして、その上の圧電材料を多結晶化させる手法を開発した。実験の結果、提案手法によって、PZT薄膜において、領域選択的に単結晶部と多結晶部を自由に作り分けることに成功した。一方で、高価Ptを使用することはコスト増につながる。ゆえに、より簡便かつ安価にコンポジット膜を形成できる手法の探索を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の予定よりも成膜装置の準備に時間がかかってしまい、研究進捗が計画よりもやや遅れている。しかし、試作した装置は問題なく動作し、圧電単結晶薄膜の成膜は再現性よく達成できているので、今後は滞りなく研究を進められると思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
純ペロブスカイト相を有するSm-PMN-PT単結晶薄膜を、再現性よく成膜する術を開発する。また、圧電定数を最大化する組成比を探索する。さらに、Pt多結晶パターンを下地にして、PZT単結晶・多結晶コンポジット薄膜の形成には成功しているので、今後はさらに安価かつ簡便な手法を開発する予定である。
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