2017 Fiscal Year Annual Research Report
Orientation control of piezoelectric thin films and their application to functional micro-devices
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17H03207
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
神野 伊策 神戸大学, 工学研究科, 教授 (70346039)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
肥田 博隆 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (60402509)
譚 ゴオン 神戸大学, 工学研究科, 学術研究員 (00806060)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 圧電 / 薄膜 / 結晶構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
PZTは電界を印加した際，逆圧電効果によりひずみが発生するが，PZT薄膜の場合基板による拘束や配向制御等の影響によりバルクPZTセラミックスとは異なる圧電ひずみが生じることが報告されているがその詳細は明らかではない．H29年度は，エピタキシャルPZT薄膜に電界を加えながらXRD(X-ray diffraction)パターンの測定行うことで，圧電ひずみの微視的な観測することを目的とした．測定では基板からの拘束力を考慮し，転写を行った試料と行っていない試料を用いた．
Pt/MgO基板上の(001)PZTエピタキシャル薄膜およびその転写膜の比誘電率を測定したところ，約170～260の値となった．圧電ひずみの測定は，SPring-8のBL19B2ビームラインにおいて波長1Åのシンクロトロン放射光を用いた．圧電ひずみの測定は，PZT圧電薄膜の上下電極間にDC電圧印加ながらOut of Plane およびIn-Planeの2θ/θX線回折測定により評価した．スパッタ法で作製したPt/MgO基板上エピタキシャルPZT薄膜は通常基板側から表面方向に向かって分極がされているが，今回Out-of-planeおよびIn-planeの放射光XRD測定の結果，負バイアスの電圧印加で面外方向に格子が伸びている一方で面内では縮んでいることが確認された．転写PZT薄膜ではMgO基板上Pt電極がひょうめんに露出し上部電極となるため，分極方向もPt/MgO基板上のPZTエピタキシャル薄膜と逆方向になるため，面外方向と面内方向の伸縮がPt/MgO基板上PZT薄膜と逆の傾向を示した．一方，転写膜は耐電圧が低くなり，また結晶軸も転写時の接着剤の均質性に影響されるため今回高精度の評価はできなかったが，今後PZT圧電薄膜の転写技術を安定化させることにより基板の有無による圧電性の比較を行う予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度の研究では，PZT圧電薄膜の微視的な圧電ひずみをSPring-8の放射光XRDにより高精度に評価することに成功した．c軸配向PZT圧電薄膜のOut of Plane およびIn-Plane測定により，分極軸であるc軸がDC電圧印加によりどのように変化するか，明瞭に観察することで，格子定数変化から圧電定数の算出にも成功した．今回の結果では，Out of Planeで明瞭なピークシフトが見られた一方，In plane測定ではシフトが小さく，基板拘束の影響であると考えられる．そのため，PZT圧電薄膜をガラス基板に転写し，基板拘束を解放した試料を作製し，放射光による圧電ひずみ評価を試みた．電圧印加による明瞭なピークシフトが確認できた一方，耐電圧が低く詳細な観察はできなかったが，今後転写PZT圧電薄膜の測定試料の作製を継続し，基板の有無による圧電性の相違，特に分極軸との関係について検討を進める予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度評価したPZT薄膜はMPB組成のc軸配向エピタキシャル薄膜を用いたが，実用的にはSi基板上多結晶薄膜がMEMSデバイスとして用いられている．次年度以降はエピタキシャル薄膜に加えSi基板上の多結晶PZT薄膜についても評価を継続する予定である．更にそれらのZr/Ti比を変えた正方晶および菱面体晶組成のPZT薄膜の作製を行い，今年度と同様に放射光によるX線回折パターンの変化を観察することで，組成依存性についても議論を進める．
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