強誘電体ドメイン制御セラミックスの開発研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650327
• 研究機関: 静岡理工科大学
• 研究代表者: 小川 敏夫 静岡理工科大学, 理工学部, 教授 (40247573)
• キーワード: ビスマス層状化合物セラミックス / リラクサ強誘導電体単結晶 / ドメイン構造 / 分極電界依存 / ドメインクランピング / 抗電界 / 巨大電気機械結合係数k_<31> / 巨大圧電d_<31>定数

研究概要

今年度は新たに(1)ビスマス層状化合物SrBi_4Ti_4O_<15>(SBT)セラミックスと(2)リラクサ強誘電体単結晶Pb(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)_<0.91>Ti_<0.09>O_3(PZNT)のドメイン構造およびその基礎特性を調べた。
(1)SBTセラミソクスの分極電界(E)依存;SBTセラミックスはキュリー温度が520℃と、これまでのPZTに比べ約200℃高いことから、分極電界依存の測定温度は150℃で行った。Eを±10kV/mmの範囲で変化させたところ、E=±3.OkV/mmで厚み振動の電気機械結合係数(kt)および圧電d_<33>定数が極小値をとった。この電界は抗電界(Ec)に相当し、180°ドメインクランピングが起きていることが分かった。又、誘電率(εr)もEcで極小値をとるのは、ドメインクランピングにより、電荷が互いにキャンセすることによるものと考えられた。一方、厚み振動の周波数定数(fct)はEcで極小値をとった。
(2)PZNT単結晶の分電界(E)依存;PZNT単結晶はキュリー温度が175℃,菱面体晶相と正方晶相との相境界(M.P.B)は80℃であり、更に、大きな電気機械結合係数は菱面体晶相で得られるので、分極電界依存の測定温度を40℃とした。E=±1000V/mmの範囲で変化させたところ、E=±300V/mmで縦振動の電気機械結合係数(k_<33>)および圧電d_<33>定数が極小値をとった。又、この電界で極小のεr,極大のfc_<33>が得られことから、180°ドメインクランピングが起こるEcと考えられた。更に、二度目の分極電界依存測定により、強誘電特性は若干低下傾向が見られた。これは分極を多数回繰り返すことにより、結晶内に歪が生じ、マイクロクラックが発生したことによるものと考えられた。
(3)PZNT圧電単結晶に見られる巨大電気機械結合係数k_<31>と圧電d_31定数;PZNT単結晶の[001]方向に沿ってDC分極(分極条件:40℃,1.0kV/mm,10min)した試料は、高εr(4600)でk33が95.3%、圧電d_<33>定数が2500pC/Nと大きいだけでなく、G_<33>(613×10^<-3>Vm/N)およびg_<31>(-43.0×10^<-3>Vm/N)定数も高い値を示した。特に、伸び(横)振動モードの結合係数k_<31>とd_<31>はそれぞれ80.8%,-1700pC/Nに達し、この結晶が新規な横振動モードを利用した高感度のセンサやアクチュエータ材料に適していることを初めて明らかにした。更に、材料定数の温度特性より、菱面体晶相と正方晶相間で弾性コンプライアンス(s^E11)に大きな差があることが明らかとなった。菱面体PZNT単結晶で高圧電性が得られるのは、正方晶相に比べ分極電界により容易に結晶が変形することができる結晶の柔らかさが原因と考えられた。

研究成果

• [文献書誌] T.Ogawa, Y.Yamauchi, Y.Numamoto, M.Matsushita, Y.Tachi: "Giant Electromechanical Coupling Factor of k_<31> Mode and Piezoelectric d_<31> Constant in Pb[(Zn1/3Nb2/3)_<0.91>Ti_<0.09>O_3 Piezoelectiric Single Crystal"Jpn.J.Appl.Phys.. 41・Part2 1A/B. L55-L57 (2002)
• [文献書誌] T.Ogawa, E.Narita, M.Kato, M.Sugiyama, M.Hashiguchi: "Poling Field and Pulse Response Dependences of Ferroelectric Properties in Bi-layer Structured Ceramics"Proc.of the 18th International Japan-Korea seminar on Ceramics. 47-51 (2001)
• [文献書誌] T.Ogawa, M.Matsushita, Y.Tachi, K.Echizenya: "Poling Field Dependence of Ferroelectric Properties in Pb(Zn1/3N62/3)_<0.91>Ti_<0.09>O_3 Single Crystal"Proc.of the 10th US-Japan Seminar on Dielectric and Pieqoelectric Ceramics. 245-248 (2001)
• [文献書誌] T.Ogawa: "Poling field Dependence of Ferroelectric Properties in Barium Titanate Ceramics"Jpn.J.Appl.Phys.. 40・9B. 5630-5633 (2001)
• [文献書誌] Y.Numamoto, Y.Yamauchi, T.Ogawa, M.Matsushita, Y.Tachi: "Material Constants and their Temperature Dependence of Pb(Zn1/3N62-3)_<0.91>Ti_<0.09>O_3 Single Crystal"Proc.of the 2nd Asian Meeting on Electroceramics. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] T.Ogawa: "Poling Field Dependence of Ferroelectric Properties in Piezoelectric Ceramics and Single Crystal"Ferroelectrics. (印刷中). (2001)