セラミック薄膜における相化学的特異現象の解明とその誘起物性への応用

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450266
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 水谷 惟恭 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (60016558)
• 研究分担者: 木口 賢紀 東京工業大学, 総合分析支援センター, 助手 (70311660) ; 脇谷 尚樹 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助手 (40251623) ; 篠崎 和夫 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (00196388)
• キーワード: ドーピング / 薄膜 / 格子定数 / 半導体化 / ペロブスカイト / MOCVD / スパッタリング / PLD

研究概要

本研究は今後電子セラミックス部品やメモリーデバイスなどに広く利用されることが予想されるペロブスカイト構造セラミックス薄膜に見られるバルク体(焼結体)とは異なる、いわば異常現象を明らかにし、その機構を解明して、セラミック薄膜の特異性から新たな機能を探索する手がかりを得ようとするものである。ここでの特異性は異種原子のドーピング化の難易性、固溶域の拡大、超格子の出現、超薄層からなる積層体の出現などである。平成14年度2年目であるため、種々の方法で作成したセラミックス薄膜におけるドーピング異常現象をデータから探索し、物性との関係を検討した。その結果、(1)MOCVD法で作成したNbドープのSrTiO_3薄膜では、Nbドープによる半導体化の効果域が大幅にバルクよりの一桁近く高濃度側にずれる。膜厚方向のNbの分布の測定や格子定数の組成依存性の観点からはNbはSrTiO_3薄膜中に固溶するものの、半導体的な挙動を示さないことが明らかになった。これは、原子価制御機構が薄膜では生じにくいことを示唆する(2)MOCVD法で作成したPb(Ti, Zr)O_3中に数GPaの残留応力が発生し、キュリー点が移動する。(3)RFマグネトロンスパッタ法でNbドープのBaTiO_3薄膜を作成した場合にもNbのドープ量を広範囲に変化させても半導体化が得られない。しかしながら、MOCVDの場合と同様にNbのドープによりBaTiO_3の格子定数は連続的に変化する。(4)バルクでは安定化ジルコニア(YSZ)中にNbはほとんど固溶しないが、PLD法でNbを添加したYSZ薄膜を作製すると、少なくとも20mol%までのNb_2O_5添加までYSZの格子定数は連続的に変化し、容量-電圧特性が著しく改善されることが見いだされた。これらの例が示すように、薄膜ではバルクでは理解することができない多くの異常現象が見いだされた。

研究成果

• [文献書誌] K.Shinozaki, M.Sugiura, T.Kiguchi, N.Wakiya, N.Mizutani: "Growth Behavior of Bi and Nb co-added SrTiO3 thin film exhibiting varistor characteristics"J.ceram.Soc.Jpn.. 110[5]. 416-420 (2002)
• [文献書誌] N.Wakiya, M.Yoshida, T.Kiguchi, K.Shinozaki, N.Mizutani: "RF-magnetron-sputtered heteroepitaxial YSZ and CeO2/YSZ thin films with improved capacitance-voltage characteristics"Thin Solid Films. 411. 268-273 (2002)
• [文献書誌] Y.Kim, A.Saiki, N.Wakiya, K.Shinozaki, N.Mizutani: "Effect of nb and Sr doping on crystal structure of epitaxial BaTiO3 thin films on MgO substrates"J.Phys.D : Appl.Physics. 35. 1499-1503 (2002)
• [文献書誌] T.Yamada, N.Wakiya, K.Shinozaki, N.Mizutani: "Growth mechanism of SrTiO3 thin film on ceO2(001) surface"Key Engineering Materials. 228-229. 137-140 (2002)
• [文献書誌] C.H.chen, A.saiki, N.Wakiya, K.Shinozaki, n.Mizutani: "Distinct correlation between CeO2 and YSZ in out-of-planed and in-plane mosaic dispersions of heteroepitaxial CeO2/YSZ/Si(001) films"Appl.Phys.. A74. 693-697 (2002)