A_3BC_3D_2O_<14>型高性能圧電単結晶材料の開発

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10650301
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 福田 承生 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (30199236)
• 研究分担者: 鷹木 洋 村田製作所, 技術開発本部, 主任研究員 ; 島村 清史 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (90271965)
• キーワード: 圧電結晶 / バルク単結晶 / デバイス特性 / 置換体材料

研究概要

高性能新型圧電結晶として報告者らが見いだしたA_3BC_3D_2O_<14>型酸化物に関して、今回、Sr_3Ga_2Ge_4O_<14>やLa_3Ga_5SiO_<14>を基調に、同原子価・異種原子価陽イオン置換により新型圧電結晶を開発し、バルク単結晶作成、高品質・安定成長条件、融解性、結晶の均質性・完全性、加工性、圧電特性、デバイス特性等に関する、基礎から応用まで幅広く研究を行った。
具体的には、
1. 新物質探索:固相反応およびマイクロ引き下げ法による新物質探索を行い結晶作成を試みた。その結果、La_3Ga_5TiO_<14>、La_3Ga_<5-x>Al_xSiO_<14>、Sr_3TaGa_3Si_2O_<14>、SrドープLa_3Ta_<0.5>Ga_<5.5>O_<14>(以下SrドープLTG)等、数多くの新しいA_3BC_3D_2O_<14>型酸化物の創製に成功した。また、回転引き上げ法によるバルク単結晶作成も行い、実用化への第一歩となる直径1インチの単結晶の作成に成功した。
2. 結晶学的物性評価:得られた結晶の結晶学的物性、即ち、格子定数、密度、圧電定数、電気機械結合係数等の測定を行った。また、結晶化学的見地から、単結晶X線回折により精密な結晶構造解析を行った結果、Sr_3TaGa_3Si_2O_<14>で結晶構造中の3種類の配位席(4,6,8配位)に対し各元素が秩序化して分布しており、La_3Ga_<5-x>Al_xSiO_<14>でAlが4及6配位席に等価に分布することなどを明らかにした。
3. 工学的応用物性評価:回転引き上げ法で作成された単結晶を用いて実際にフィルターやレゾネーター等のデバイスを作成し、フィルターでは帯域幅、レゾネーターでは高次発振および周波数温度係数を測定した。その結果、SrドープLTGにおいて周波数温度係数が高性能材料と報告されているLTGの約2/3になり優れた特性を示した。
4. 結晶構造と圧電特性の関連性の解明:結晶構造解析結果および物性測定の統計的データから、A_3BC_3D_2O_<14>型圧電単結晶において格子定数が大きいほど圧電定数が大きいという傾向があることを見いだした。

研究成果

• [文献書誌] V.V.Kochurikhin, K.Shimamura, B.M.Eplebanm, H.Takeda, T.Fukuda: "Application of Spectral Analysis for Crystal Shape Improvement During Czochralski Growth of Oxide Crystals" Crystal Research and Tchnology. 33. 65-70 (1998)
• [文献書誌] H.Kawanaka, H.Takeda, K.Shimamura and T.Fukuda: "Characterization of La_3Ta_<0.5>Ga_<5.5>O_<14> Single Crystal" J. Crystal Growth. 183. 274-277 (1998)
• [文献書誌] J.Sato, H.Takeda, H.Morikoshi, K.Shimomura, P.Rndolph, and T.Fukuda: "Czochralski Growth of RE_3Ga_5SiO_<14> (RE=La, Pr, Nd) Single Crystals for the Aualysis of Infuluence of Rare Earth Substitution on Piezoclectricity" J. Crystal Growth. 191. 746-753 (1998)
• [文献書誌] H.Takeda, K.Shimamura, V.I.Chani and T.Fukuda: "Effect of starting melt composition on crystal growth of La_3Ga_5SiO_<14>" J. Crystal Growth. 197. 204-209 (1999)