ランガサイト系新圧電結晶に結晶構造に基づく材料設計

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650738
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 大里 齊 名古屋工業大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20024333)
• 研究分担者: 守越 広樹 TDK(株), 基礎研究所, 研究主任 ; 柿本 健一 名古屋工業大学, 大学院・工学研究科, 助手 (40335089) ; 田中 清明 名古屋工業大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00092560)
• キーワード: 圧電結晶 / SAWフィルター / 結晶構造解析 / ランガサイト / 単結晶

研究概要

高帯域SAWフィルター用圧電単結晶として注目されるランガサイト(La_3Ga_5SiO_<14>)型単結晶の結晶構造解析を行った。本年度は東北大学にて高圧実験を、本学においては電界下実験を行い、ランガサイト結晶における圧電発現機構を解明した。
Czochralski法により育成したLa_3Ga_5SiO_<14>(LGS)及びNd_3Ga_5SiO_<14>(NGS)単結晶をダイヤモンドアンビルセル(DAC)に装填し、ルビー蛍光法によって検量した高圧(3.3 7.4GPa)を印可して、4軸型単結晶X線回折装置を用いて構造解析した。
高圧下実験では,軸方向に対して、a軸方向の線圧縮率が大きなことが見いだされ、昨年度実施した常圧下実験から予想された変形異方性を確認した。ランガサイトの圧縮が主にa-b結晶面内で生じていることを確認するために、各陽イオンサイトの体積と異方性変化を計算し、詳細な比較検討を行った。その結果、希土類元素を含むサイトおよびGaを含むサイトが高圧印可に伴って、特徴的なイオン変位を示していることを発見した。両サイトを含む[100]方位では、実際に圧電現象が観測されることから、ランガサイト結晶の圧電現象の発生メカニズムは、希土類元素を含むサイトおよびGaを含むサイトの体積および形状変化による中心イオンの変位、すなわち電荷バランスの崩壊に伴うイオン分極の発生であると結論づけた。この様子を逆圧電効果となる電界印可実験において確認しようと試みたが、構造解析用の小球結晶では表面電流の発生によって結晶本体に高電界が印可されにくいことが判明した。しかし、回折実験中の小球に電界印可が可能となる冶具を考案し試作に成功した。
総じて、強誘電性結晶ではなく、電荷のバランスがとれている常誘電体結晶における圧電性発現のメカニズムを解明し、ランガサイト型結晶では[100]方位で圧電性が生じることを結晶学的に明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] H.Ohsato, T.Iwataki, N.Araki, H.Morikoshi, K.Kakimoto: "Properties and Mechanisum of Piezoelectricity in Langasite"Journal Ferroelectrics. (In Press). (2004)
• [文献書誌] H.Ohsato, T.Iwatataki, N.Araki, H.Morikoshi: "Investigation on the structural differences among langasites by single -Crystal X-Ray structure analysis"Acta Cryst.. A58. C328 (2002)
• [文献書誌] T.Iwataki, H.Ohsato, K.Tanaka, H.Morikoshi, J.Sato, K.Kawasaki: "Mechanism of the piezoelectricity of langasite based on the crystal structures"J.Euro.Ceram Soc.. 21. 1409-1412 (2002)
• [文献書誌] H.Ohsato, K.Morikoshi, D.Sakakibara, K Suito, J.Sato, K.Kawasaki, K.Tanaka: "Crystal Structure and Piezoelectric Properties of La-, Pr- and Nd-Langasite"Acta Cryst.. A54. C484 (1999)