非鉛系強誘電体単結晶へのエンジニアード-ドメイン構造の導入による圧電特性の向上

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11555164
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 和田 智志 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助手 (60240545)
• 研究分担者: 秋山 善一 リコー株式会社, 中央研究所, 係長研究員
• キーワード: 非鉛系強誘電体 / 単結晶 / エンジニアード・ドメイン / 圧電特性 / ドメイン構造制御 / 結晶異方性 / チタン酸バリウム / 圧電デバイス

研究概要

代表的な非鉛系強誘電体であるBaTiO_3は室温で正方晶(P4mm)であり、自発分極方向は[001]である。従って3本の等価な自発分極ベクトル〈001〉が存在する[111]方向に電場をかけることで、エンジニアード・ドメイン構造を導入することが期待できる。そこで[111]方向にカットした試料を作製し、その分極及び歪みの電場依存性を室温で測定した。その結果、BaTiO_3単結晶で初めてエンジニアード・ドメイン構造の導入に成功し、[001]方向で得られた圧電定数(90pC/N)の2倍近い203pC/Nという値を得た。このことはエンジニアード・ドメイン構造が普遍的な概念であることを立証した。更に[111]方向に電場を増加させることで正方晶から単斜晶(m)への電場誘起相転移を見いだした。またこの単斜晶構造で[111]方向への電場印加により第2のエンジニアード・ドメイン構造の導入に成功し、圧電定数295pC/Nという[001]方向に比べて3倍ほど高い圧電定数を見いだした。エンジニアード・ドメイン構造の存在は電場印加下でドメイン構造のその場観察、またラマン散乱のその場測定を行うことで確認された。同様な測定を-100℃〜200℃までの温度範囲に拡張するため、装置の改良を行った。この装置を用いた予備測定では130℃以上で立方晶(m3m)、5℃以下で単斜晶(m)、-90℃以下で菱面体晶(3m)への相転移を確認し、装置が設計通りに動くことを確認した。そこで、それぞれの構造で[001]及び[111]方向における分極及び歪みの電場依存性を測定した結果、立方晶を除いたそれぞれの結晶構造において非自発分極方向への電場印加により異なるエンジニアード・ドメイン構造を導入できた。中でも単斜晶構造において、[001]及び[111]方向ともに最も高い圧電特性を見いだした。特に0℃で[001]方向に電場を印加した場合に最も高い圧電特性、d_<33>〜500pC/N、k_<33>〜85%が得られた。この値は目標としたPZTセラミックスの圧電特性を超える値である。BaTiO_3単結晶の分極方向における圧電特性はPZTセラミックスにまったく及ばないのに対し、同じ結晶にエンジニアード・ドメイン構造を導入することで、PZTセラミックスを凌駕できることがわかった。なお、モニターとスキャナーは顕微鏡写真の読み込みと画像処理のために急遽必要となり、設備備品として購入した。

研究成果

• [文献書誌] Satoshi WADA: "Enhanced Piezoelectric Property of Barium Titanate Single Crystals with Engineered Domain Configuration"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 5505-5511 (1999)
• [文献書誌] Satoshi WADA: "Crystallographically Engineered BaTiO_3 Single Crystals for High Performance Piezoelectrics"Journal of Applied Physics. 86. 2746-2750 (1999)
• [文献書誌] 和田智志: "圧電単結晶の巨大圧電効果とドメイン構造"化学工業. 50・11. 42-50 (1999)
• [文献書誌] Satoshi WADA: "High Piezoelectric Performance of Barium Titanate Single Crystals with Engineered Domain Configurations"Proceedings of the 9th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics, Okinawa. 83-86 (1999)
• [文献書誌] Satoshi WADA: "Crystallographically Engineered Single Crystals for High Performance Piezoelectrics"Proceedings of the 9th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics, Okinawa. 87-90 (1999)
• [文献書誌] 和田智志: "エンジニアード・ドメイン構造を導入した強誘電体単結晶における巨大圧電効果"セラミックス. (印刷中). (2000)