強誘電性セラミック厚膜の製造高効率化と高機能化をめざしたゾルーゲル成膜技術の改良

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555243
• Research Institution: Kansai University
• Principal Investigator: 幸塚 広光 関西大学, 工学部, 教授 (80178219)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山下 芳晴 栄進電機株式会社, 製造技術系, 係長(研究職)
• Keywords: ゾル-ゲル法 / 強誘電体 / 圧電体 / 薄膜 / チタン酸バリウム / PZT / 応力 / 膜厚

Research Abstract

ポリビニルピロリドン(PVP)を含有するPb(CH_3COO)_2・3H_2O-Zr(OC_3H_<7^n>)_4-Ti(OC_3H_<7^i>)_4-H_2O-CH_3COOH-CH_3OC_2H_4OH-n-C_3H_7OH溶液からゲル膜を作製し,700℃で焼成することによって,1回のコーティング操作で亀裂のない厚さ2μmのPZT膜が得られた。ただし膜は多孔質であった。熱分析,赤外吸収スペクトル測定,X線回折により,PVPとCH_3COO-が250°-320℃で熱分解し,Pb_3(CO_3)_2(OH)_2が350℃付近で析出し,残留炭素が360°-460℃で燃焼し,PZT相が550℃付近で生成することがわかった。700℃での熱処理に先立つ低い温度での熱処理は膜の緻密化に有効ではなく,前もって100°あるいは200℃で熱処理すると粒子間間隙が増大し,350℃で熱処理すると亀裂が発生した。
一方,PVPを含有するPb(NO_3)_2-Zr(OC_3H_<7^n>)_4-Ti(OC_3H_<7^i>)_4溶液から作製されるゲル膜を80°,300°,700℃で順次熱処理することによって,厚さ0.75μmのPZT薄膜を1回のコーティング操作で作ることができた。膜はP-Eヒステリシスを示し,60Hzでの残留分極,抗電場はそれぞれ24.6±1.6μCcm^<-2>,95.6±9.8kVcm^<-1>であった。さらに,濃縮した溶液をコーティング液とすると,厚さ2.2μmのPZTが得られ,60Hzでの残留分極,抗電場はそれぞれ21μCcm^<-2>,90kVcm^<-1>であった。
このほか,PVPを含有する溶液から,亀裂のない厚さ0.77及び0.40μmのBaTiO_3及びBaBi_4Ti_4O_<15>薄膜を1回のコーティング操作で作製することができ,1kHzの誘電率310,380がそれぞれ得られた。

Research Products

• [Publications] H.Kozuka, S.Takenaka, H.Tokita, M.Okubayashi: "PVP-assisted sol-gel deposition of single layer ferroelectric thin films over submicron or micron in thickness"J. Eur. Ceram. Soc. (in press).
• [Publications] H.Kozuka, S.Takenaka, H.Tokita, T.Hirano, Y.Higashi, T.Hamatani: "Stress and cracks in gel-derived coatings and thick film formation"J. Sol-Gel Sci. Techn.. 26. 681-686 (2003)
• [Publications] T.Kishimoto, H.Kozuka: "Sol-gel preparation of TiO_2 ceramic coating films from aqueous solutions of titanium sulfate (IV) containing polyvinylpyrrolidone"J. Mater. Res.. 18. 466-474 (2003)
• [Publications] H.Kozuka, S.Takenaka: "Single-step deposition of gel-derived PZT films : critical thickness and gel-to-ceramic film conversion"J. Am. Ceram. Soc. 85. 2696-2702 (2002)