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放射光X線回折によるSi基板上エピタキシャル圧電薄膜の圧電主要因子の解明

研究課題

研究課題/領域番号 21K14200
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関大阪公立大学 (2022-2023)
大阪府立大学 (2021)

研究代表者

譚 ゴオン  大阪公立大学, 国際基幹教育機構, 准教授 (00806060)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2021年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
キーワード圧電特性 / X線構造解析 / 強誘電体薄膜 / 圧電薄膜 / エピタキシャル成長 / 放射光X線回折測定 / 結晶構造解析 / MEMSデバイス / 非鉛圧電薄膜材料
研究開始時の研究の概要

圧電材料を薄膜化し、圧電MEMS(微小電気機械システム)への応用が期待されている。MEMS加工の観点からSi基板上に高品質なエピタキシャル圧電薄膜を作製し、薄膜の物性や圧電特性を詳細に調査する必要があるが、そのような研究例は極めて少ない。申請者らは、最近バッファ層付きSi基板上に、圧電薄膜を大面積でエピタキシャル成長させることに成功した。本研究は、Si基板上のエピタキシャル圧電薄膜に対して、放射光X線回折を用いた電圧印加下での結晶構造解析を行い、デバイスとしての巨視的な圧電特性と比較する。これにより、圧電薄膜の圧電特性を決定する結晶学的な主要因子を明らかにすることを目的とする。

研究成果の概要

圧電材料を薄膜化しMEMS(微小電気機械システム)に適用させた応用例としては、アクチュエータから圧電センサまで多岐にわたる。MEMS微細加工の観点からSi基板上に高品質なエピタキシャル薄膜を作製し、薄膜の物性や圧電特性を詳細に調査する必要がある。本研究では、バッファ層付きSi基板上にチタン酸ジルコン酸鉛PZT (Pb(Zr,Ti)O3)薄膜をエピタキシャル成長させ、得られた圧電薄膜に対して放射光X線回折を用いて電圧印加下での結晶構造解析(微視的な圧電ひずみの評価)を行い、圧電薄膜の圧電特性を決定する結晶学的な主要因子を調査した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究では、バッファ層付きSi基板上に作製した高品質なエピタキシャルPZT薄膜に対し、電圧を印加しながらのXRD(X線回折)測定を行い、圧電薄膜の格子ひずみといった微視的な結晶構造変化が巨視的な圧電特性にどのように寄与するのかを調査した。その結果、電圧印加下のPZT薄膜のX線回折スポットから得られた結果は、巨視的な逆圧電特性における電圧依存性と整合し、組成比の異なるPZT薄膜それぞれの圧電性の起源を解明する手がかりを得ることができた。これにより圧電特性を最大限に引き出せるような材料設計指針を検討し、圧電MEMSの性能向上、非鉛圧電薄膜の創製など、新しい展開をもたらすことが期待された。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 3件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] In-situ study on piezoelectric responses of sol-gel derived epitaxial Pb[Zr,Ti]O3 thin films on Si substrate2024

    • 著者名/発表者名
      Kweon Sang Hyo、Kanayama Yuichi、Tan Goon、Koganezawa Tomoyuki、Kanno Isaku
    • 雑誌名

      Journal of the European Ceramic Society

      巻: 44 号: 6 ページ: 3887-3894

    • DOI

      10.1016/j.jeurceramsoc.2024.01.026

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Compositional Modification of Epitaxial Pb(Zr,Ti)O<sub>3</sub> Thin Films for High‐Performance Piezoelectric Energy Harvesters2023

    • 著者名/発表者名
      Kweon Sang Hyo、Kim Eun‐Ji、Tan Goon、Kanno Isaku
    • 雑誌名

      Advanced Materials Interfaces

      巻: 11 号: 2 ページ: 2300634-2300634

    • DOI

      10.1002/admi.202300634

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Piezoelectric properties of epitaxial Pb(Zr,Ti)O3 thin films grown on Si substrates by the sol?gel method2023

    • 著者名/発表者名
      Tan Goon、Kweon Sang-Hyo、Kanno Isaku
    • 雑誌名

      Thin Solid Films

      巻: 764 ページ: 139612-139612

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2022.139612

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Crystal structure and piezoelectric properties of lead-free epitaxial (K,Na)NbO<sub>3</sub> thin films grown on Si substrates2022

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Kiyotaka、Kawata Yoshiyuki、Kweon Sang Hyo、Tan Goon、Yoshimura Takeshi、Kanno Isaku
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 121 号: 17 ページ: 172901-172901

    • DOI

      10.1063/5.0110135

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High output performance of piezoelectric energy harvesters using epitaxial Pb(Zr, Ti)O<sub>3</sub> thin film grown on Si substrate2022

    • 著者名/発表者名
      Kim Eun-Ji、Kweon Sang-Hyo、Nahm Sahn、Sato Yukio、Tan Goon、Kanno Isaku
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 121 号: 16 ページ: 161901-161901

    • DOI

      10.1063/5.0105103

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Characterization of vacuum ultraviolet-irradiated surface modification of CoO(111) crystal by low-energy atom scattering spectroscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Tan G.、Fukuta H.、De Silva K. K. H.、Matsuda A.、Yoshimura M.、Yoshimoto M.、Umezawa K.
    • 雑誌名

      Journal of Vacuum Science &amp; Technology A

      巻: 40 号: 6 ページ: 063202-063202

    • DOI

      10.1116/6.0001971

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Annealing effects on epitaxial (K,Na)NbO<sub>3</sub> thin films grown on Si substrates2022

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Kiyotaka、Ogawa Rei、Kweon Sang Hyo、Tan Goon、Kanno Isaku
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: SN ページ: SN1020-SN1020

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac8143

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] In situ high-temperature X-ray diffraction measurements of Pb(Zr<sub>0.58</sub>Ti<sub>0.42</sub>)O<sub>3</sub> epitaxial thin films grown on Si substrates2022

    • 著者名/発表者名
      Kimura Goki、Kweon Sang Hyo、Tanaka Kiyotaka、Tan Goon、Koganezawa Tomoyuki、Kanno Isaku
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: SN ページ: SN1012-SN1012

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac7f7c

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Characterization of lead-free (K,Na)NbO3 thin films fabricated by chemical solution process2023

    • 著者名/発表者名
      G. Tan
    • 学会等名
      The 15th China-Japan Ferroelectric Materials and Applications Conference (CJFMA15)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication and characterization of epitaxial PZT thin films on Si substrates by sol-gel process2023

    • 著者名/発表者名
      G. Tan, Y. Kanayama, S. H. Kweon and I. Kanno
    • 学会等名
      The 15th International Meeting on Ferroelectricity 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 低速原子散乱分光法を用いた絶縁性材料の表面構造解析2023

    • 著者名/発表者名
      譚 ゴオン
    • 学会等名
      第31回放射線利用総合シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Si基板上エピタキシャルゾルゲル Pb(Zr,Ti)O3薄膜の作製2022

    • 著者名/発表者名
      金山 裕一、權 相曉、譚 ゴオン、神野 伊策
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Si 基板上エピタキシャル(K, Na)NbO3 薄膜の圧電特性2021

    • 著者名/発表者名
      田中 清高,蔡 慶政,河田 佳之,Sang-Hyo Kweon,譚 ゴオン,神野 伊策
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Piezoelectric properties of Pb(Zr,Ti)O3 artificial superlattice thin films2021

    • 著者名/発表者名
      G. Kimura, S. H. Kweon, G. Tan, and I. Kanno
    • 学会等名
      International Workshop on 8th Piezoelectric MEMS
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] PZT人工超格子薄膜の作製とその圧電特性2021

    • 著者名/発表者名
      木村 剛基、權 相曉、譚 ゴオン、神野 伊策
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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