ビスマス系強誘電体セラミックスの非鉛圧電デバイスへの応用

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555176
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 竹中 正 東京理科大学, 理工学部, 教授 (70096709)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野村 武史 TDK(株), 基礎材料研究所, 取締役・所長
• Keywords: 無鉛圧電セラミックス / 強誘電体 / 電気機械結合係数 / ビスマス層状構造強誘電体 / チタン酸ビスマスナトリウム / 圧電性

Research Abstract

科学研究費補助金等の補助金を得て我々がこれまで長年取り組んできた酸化鉛(PbO)を含まない環境にやさしい非鉛系圧電セラミックスの実用化に貢献できる材料開発の研究結果を基礎として、その研究をさらに発展させ、非鉛系圧電デバイスを新しく開発することを目的とする。具体的には、その基礎研究の結果から最も実用化に近いと考えられるビスマス系強誘電体セラミックスに着目し、その代表であるチタン酸ビスマスナトリウム(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3[BNT]系固溶体強誘電体およびビスマス層状構造強誘電体を取り上げ、非鉛系圧電セラミックスとして実用化出来る組成を絞り込み、新機能非鉛圧電デバイスを設計・試作する。さらに、そのデバイスの性能を詳しく調査し、従来の鉛系圧電デバイスにない新しい応用分野を開拓しようとするものである。本年度は、チタン酸ビスマスナトリウム(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3[BNT]系固溶体強誘電体セラミックス、(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-KNbO_3-BaTiO_3-BiFeO_3、ならびに、ビスマス層状構造強誘電体セラミックス、Sr_<m-3+x>Bi_<4-x>Ti_<m-x>Ta_xO_<3m+3>[SBTTm(x)](m=2,1≦x≦2;m=3,0≦x≦2)を実用的な非鉛系圧電セラミックス材料の候補として、そのセラミックス試料を作製し、得られたセラミックス試料の物理的および電気的諸特性を新たに購入した「RFインピーダンス/マテリアルアナライザ」を用いて詳細に調べた。その結果、SBTT2(x)系では、300℃の高温分極処理を施すことにより、機械的品質係数Qmが10000を超えるものが得られた。これは、非鉛圧電デバイスの高周波化に向いていると考えられる。次年度は、実用化に向けて、詳しく調査した圧電的諸特性を使用して、非鉛圧電デバイスを設計・試作し、その性能評価を行う。

Research Products

• [Publications] H.Ishii, H.Nagata, T.Takenaka: "Morphotropic Phase Boundary of(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-KNbO_3 Lead-Free Piezoelectric Ceramics"Transactions of the Materials Research Society of Japan. 26. 107-110 (2001)
• [Publications] H.Nagata, T.Takenaka: "Effects of Substitution on Electrical Properties of(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3-Based Lead-Free Ferroelectrics"Proc.the 12th IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics(ISAF XII 2000)(IEEE Catalog No.00CH37076). 45-51 (2001)
• [Publications] H.Nagata, T.Takenaka: "Additive effects on electrical properties of(Bi_<1/2>Na_<1/2>)TiO_3 ferroelectric ceramics"J.European Ceramic Soc.. 21. 1299-1302 (2001)
• [Publications] H.Ishii, H.Nagata, T.Takenaka: "Morphotropic Phase Boundary and Electrical Properties of Bismuth Sodium Titanate-Potassium Niobate Solid-Solution Ceramics"Jpn.J.Appl.Phys.. 40,Part1,No.9B. 5660-5663 (2001)
• [Publications] H.Nagata, T.Takahashi, Y.Yano, T.Takenaka: "Electrical Properties of Sr_xBi_<4-x>Ti_<3-x>Ta_xO_<12>(0<=x<=1)Lead-free Piezoelectric Ceramics"Asian Ceramic Science for Electronics I(Proc.The 1st Asian Meeting on Electroceramics(AMEC-1)). 25-30 (2001)
• [Publications] T.Ogino, M.Komatsu, N.Ohashi, I.Sakaguchi, S.Hishita, T.Takenaka, H.Haneda: "Electrical Properties and Characterization of In_2O_3(ZnO)_m Thin Films"Asian Ceramic Science for Electronics I(Proc.The 1st Asian Meeting on Electroceramics(AMEC-1)). 199-202 (2001)
• [Publications] H.Nagata, H.Uematsu, I.Sakaguchi, H.Haneda, T.Takenaka: "Fatigue Properties of Bismuth Titanate Annealed in the Reduced Atmosphere"Ferroelectrics. 257. 203-210 (2001)
• [Publications] H.Nagata, T.Takahashi, Y.Yano, T.Takenaka: "Electrical Properties of Bismuth Layer-Structured Ferroelectrics Sr_<m-3+x>Bi_<4-x>Ti_<m-x>Ta_xO_<3m+3>(m=2,x=1〜2;m=3,x=0〜2)"Ferroelectrics. 261. 219-224 (2001)
• [Publications] H.Nagata, T.Takenaka: "Piezoelectric Properties of Bismuth Layer-Structured Ferroelectric Ceramics with Sr-Bi-Ti-Ta System"Ferroelectrics. (掲載決定). (2002)
• [Publications] H.Nagata, Y.Yano, G Takeda, T.Takenaka: "Electrical Properties of Nb-doped Bi_4Ti_3O_<12> Lead-free Piezoelectric Ceramics"Asian Ceramic Science for Electronics II(Proc.The 2nd Asian Meeting on Electroceramics(AMEC-2)). (掲載決定). (2002)
• [Publications] 塩嵜 忠(監修): "強誘電体材料の開発と応用(分担執筆)第2章 強誘電体セラミックス"(株)シーエムシー出版. (2001)