新規ビスマス層状酸化物強誘電体の高性能圧電材料への展開

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14750238
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 武田 博明 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助手 (00324971)
• キーワード: ビスマス層状構造強誘電体 / 電気機械結合係数 / 機械的品質係数 / 残留分極値 / Mn添加

研究概要

近年、エレクトロクスの分野で実用化されている鉛系ペロヴスカイト型強誘電体の性能に匹敵する、環境に優しい非鉛系材料の研究開発が必要不可欠と考えられている。本研究では非鉛系材料であるビスマス層状構造強誘電体(BLSF)の圧電材料への展開を目的に、本報告者が見出した新規化合物Na_<0.5-x>Bi_<2.5+x>Ta_2O_9(NBT)を中心にその電気的特性の評価を行った。作製したNBT(x=0,0.1)について誘電率の温度特性を測定したところ1MHzにおいて、x=0からx=0.1へと誘電異常時のピークはブロード化し、キュリー点(Tc)も780℃から750℃へと低下することがわかった。また他の周波数においても同じ結果が得られ、周波数による分散はなかった。室温時における比誘電率(ε_s)及び誘電損失(tanδ)はそれぞれx=0で158、0.011、x=0.1で146、0.012であった。P-Eヒステリシス測定を行い、残留分極値(2P_r)を求めたところ、x=0で2P_r=36μC/cm^2、x=0.1では2P_r=30μC/cm^2となった。2P_r=36μC/cm^2と言う値は通常の焼結法にて作製されたBLSFセラミックスの中では最も大きなものである。共振・反共振法によりアドミッタンスの周波数特性を測定し圧電特性(電気機械結合係数k_<ij>、機械的品質係数Q)を評価した。しかし、NBTセラミックスは室温付近の抗電界が大きく、抵抗率が低いため分極処理が困難であった。そこで分極処理を高効率化させるため、Mnを添加したNBTを作製した。作製した試料を用い矩形板状振動子の長さ振動を測定したところ、位相が?=+80°とほぼ飽和しておりk_<31>=0.061、Q=5000、という結果が得られた。また円盤板状振動子の径方向振動でも位相が?=+80°とほぼ飽和し、k_p=0.097、Q=3000となった。他のBLSFと比較すると電気機械結合係数は最大の値を示し、Qに関してもBLSF特有の大きな値を示すことがわかった。本報告者が見出したNBTは不揮発性メモリや高温・高周波用圧電体素子への応用が期待できる。

研究成果

• [文献書誌] K.Komagata, H.Takeda, T.Shiosaki: "Synthesis and Ferroelectric Properties of M_<0.5>Bi_<2.5>Ta_2O_9(M=Na, K) ceramics"J. Ceram. Soc. Jpn. 110. 255-258 (2002)
• [文献書誌] K.Komagata, H.Takeda, S.Okamura, T.Shiosaki: "Synthesis and Electric Properties of (Na, Bi) Bi_2Ta_2O_9 Ceramics with Bismuth Layer-Structure"Electroceramics in Japan V. 215-218 (2002)
• [文献書誌] K.Komagata, S.Okamura, H.Takeda, T.Shiosaki: "Influence of Bi contents on Electric Properties of Strontium Bismuth Tantalate ceramics"Electroceramics in Japan V. 219-222 (2002)
• [文献書誌] H.Takeda, R.Aoyagi, M.Matsushita, T.Shiosaki: "Crystal Structure and Electromechanical Coupling Properties of Na_<0.5>Bi_<2.5>Ta_2O_9 Dense Ceramics"Appl. Phys. A. 76. 295-297 (2003)
• [文献書誌] R.Aoyagi, H.Takeda, S.Okamura, T.Shiosaki: "Synthesis and Electrical Properties of Sodium Bismuth Niobate Na_<0.5>Bi_<2.5>Nb_2O_9"Mater. Res. Bull.. 38. 25-32 (2003)