欠陥エンジニアリングによる非鉛強誘電・圧電材料の創製

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14703013
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 野口 祐二 東京大学, 生産技術研究所, 助手 (60293255)
• キーワード: 強誘電体 / 非鉛 / 格子欠陥 / 残中分極 / 抗電界 / 酸素空孔 / 陽イオン空孔 / ビスマス層状構造強誘電体

研究概要

世界的規模で環境問題への関心が高まる中、有害な鉛を含まない誘電材料の開発が急務であり、緊急な課題として認識されている。現在、電子機器等の広範な用途で使用されているチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の代替材料として、Bi層状構造強誘電体(BLSF)が中心に研究・開発が進められている。しかし、残留分極値(P_r)の向上が課題となっている。
従来の強誘電体において、格子欠陥は特性を劣化させる化学種として認識されてきた。しかし、絶縁層(酸化ビスマス層)に挟まれた数nm厚の強誘電層では、欠陥が誘電性を劣化させることなく、分極特性向上の活性中心として働くことが分った。本研究では、この欠陥秩序の導入という電子・原子レベルでの構造制御(欠陥エンジニアリング)により、層状強誘電体の分極特性制御・および強誘電物性の飛躍的向上を目的としている。現在までに得られた成果を以下に記す。
●格子ひずみ設計による分極特性制御(SrBi_2Ta_2O_9系)
Sr^<2+>サイトに価数の異なるBi^<3+>を置換することで、10%もの陽イオン空孔の導入が可能であること、および導入した陽イオン空孔がBi^<3+>とペアーで高度な秩序構造を形成していることが明らかになった。この欠陥秩序を導入するという新しい材料設計により、残留分極値が倍増することを見出した。また、6s^2電子をもたないLa置換により導入された欠陥秩序により、強誘電体メモリーの動作電圧を決める抗電界が劇的に低下した。
●欠陥秩序制御チタン酸ビスマス[Bi_4Ti_3O_<12>]単結晶の育成と分極特性の飛躍的向上
Bi_4Ti_3O_<12>において、ドメイン壁に局在するBi空孔-酸素空孔の複合欠陥が、電界によるドメイン壁の移動を妨げるピニング中心として作用するために、分極特性が劣化することを突き止めた。チタン酸ビスマス単結晶において、Tiよりも価数の大きいVおよびWの微量ドープにより、酸素空孔を低減した結果、ドメイン壁の移動度が飛躍的に増大し、非鉛層状強誘電体で世界最高の残留分極値を達成した。この欠陥エンジニアリングによりドメイン壁近傍の欠陥秩序を制御することで、PZTに匹敵する分極特性が初めて得られた。

研究成果

• [文献書誌] Yuji Noguchi: "Defect Engineering for Control of Polarization Properties in SrBi_2Ta_2O_9"Japanese Journal of Applied Physics. 41(11B). 7062-7075 (2002)
• [文献書誌] Yu Goshima: "Dielectric and Ferroelectric Anisotropy of Intergrowth Bi_4Ti_3O_<12>-PbBi_4Ti_4O_<15> Single Crystals"Applied Physics Letters. 81(12). 2226-2228 (2002)
• [文献書誌] Yuji Noguchi: "Effect of Pb Substitution on the Ferroelectric Properties of SrBi_2Ta_2O_9"Journal of the Ceramics Society of Japan. 110(11). 995-1000 (2002)
• [文献書誌] Masatake Takahashi: "Electrical Conduction Mechanism in Bi_4Ti_3O_<12> Single Crystal"Japanese Journal of Applied Physics. 41(11B). 7053-7056 (2002)
• [文献書誌] Takayuki Watanabe: "Effect of Co-substitution of La and V in Bi_4Ti_3O_<12> Thin Films on the Low Temperature Deposition"Applied Physics Letters. 80(1). 100-102 (2002)
• [文献書誌] Takayuki Watanabe: "Preparation and Characterization of a-and b-axis-oriented Epitaxially Grown Bi_4Ti_3O_<12>-based Thin Films with Long-range Lattice Matching"Applied Physics Letters. 81(9). 1660-1662 (2002)