CN111435699B - 压电薄膜、压电薄膜元件、压电致动器和压电传感器 - Google Patents

压电薄膜、压电薄膜元件、压电致动器和压电传感器 Download PDF

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Abstract

压电薄膜(3)是包含金属氧化物的压电薄膜(3)，其中，金属氧化物含有铋、钾、钛、铁和元素M，元素M为镁和镍中的至少一种，至少一部分金属氧化物为具有钙钛矿结构的晶体，晶体的(001)面、(110)面或(111)面在压电薄膜(3)的表面的法线方向(dn)上进行取向。

Description

压电薄膜、压电薄膜元件、压电致动器和压电传感器
技术领域
本发明涉及压电薄膜、压电薄膜元件、压电致动器、压电传感器、压电转换器、硬盘驱动器、打印头和喷墨打印装置。
背景技术
压电体根据各种目的被加工成各种各样的压电元件。例如，压电致动器通过对压电体施加电压而使压电体变形的逆压电效应，将电压转换成力。压电传感器还通过对压电体施加压力而使压电体变形的压电效应，将力转换成电压。这些压电元件搭载于各种各样的电子设备。近年来的市场中，要求电子设备的小型化和性能的提高，因此，积极研究着使用了压电薄膜的压电元件(压电薄膜元件)。但是，压电体越薄，越难以得到压电效应和逆压电效应，因此，期待开发出在薄膜的状态下具有优异的压电特性的压电体。
目前，作为压电体，大多使用着作为钙钛矿型铁电体的锆钛酸铅(所谓的PZT)。但是，PZT包含伤害人体和环境的铅，因此，作为PZT的代替品，期待开发出无铅(Lead-free)的压电体。例如，非专利文献1中，作为无铅的压电体的一例，记载有BaTiO3系材料。BaTiO3系材料即使在无铅的压电体中也具有比较优异的压电特性，特别期待在压电薄膜元件中的应用。
[非专利文献1]
Yiping Guo et al.，Thickness Dependence of Electrical Properties ofHighly(100)-Oriented BaTiO3 Thin Films Prepared by One-Step Chemical SolutionDeposition，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.45，No.2A，2006，pp.855-859
发明内容
本发明的目的在于，提供压电性优异的压电薄膜、压电薄膜元件、以及使用了压电薄膜元件的压电致动器、压电传感器、压电转换器、硬盘驱动器、打印头和喷墨打印装置。
本发明的一个方面提供一种压电薄膜，其为包含金属氧化物的压电薄膜，其中，金属氧化物含有铋、钾、钛、铁和元素M，元素M为镁和镍中的至少一种，至少一部分金属氧化物为具有钙钛矿结构的晶体，晶体的(001)面、(110)面或(111)面在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。
上述金属氧化物可以由下述化学式1表示，下述化学式1中的x、y和z分别可以为正实数，x+y+z可以为1，下述化学式1中的α可以大于0且小于1，下述化学式1中的β可以大于0且小于1，下述化学式1中的M可以表示为MgγNi1－γ，γ可以为0以上1以下。
x(BiαK1－α)TiO3－yBi(MβTi1－β)O3－zBiFeO3 (1)
三维坐标系可以由X轴、Y轴和Z轴构成，坐标系中任意的坐标可以表示为(X，Y，Z)，坐标系中的坐标(x，y，z)可以表示上述化学式1中的x、y和z，坐标系中的坐标A可以为(0.300，0.100，0.600)，坐标系中的坐标B可以为(0.450，0.250，0.300)，坐标系中的坐标C可以为(0.200，0.500，0.300)，坐标系中的坐标D可以为(0.100，0.300，0.600)，(x，y，z)可以位于顶点为坐标A、坐标B、坐标C和坐标D的四边形以内。
坐标系中的坐标E可以为(0.400，0.200，0.400)，坐标系中的坐标F可以为(0.200，0.400，0.400)，坐标(x，y，z)可以位于顶点为坐标A、坐标E、坐标F和坐标D的四边形以内。
压电薄膜可以为外延膜。
至少一部分上述晶体可以为正方晶。
压电薄膜可以为铁电性薄膜。
本发明的一个方面提供一种压电薄膜元件，其具有上述压电薄膜。
压电薄膜元件可以具有单晶基板和与单晶基板重叠的压电薄膜。
压电薄膜元件可以具有：单晶基板、与单晶基板重叠的电极层和与电极层重叠的压电薄膜。
压电薄膜元件可以具有电极层和与电极层重叠的压电薄膜。
压电薄膜元件可以还具有至少一个中间层，中间层可以配置于单晶基板与电极层之间。
压电薄膜元件可以还具有至少一个中间层，中间层可以配置于电极层与压电薄膜之间。
电极层可以含有铂的晶体，铂的晶体的(002)面可以在电极层的表面的法线方向上进行取向，铂的晶体的(200)面可以在电极层的表面的面内方向上进行取向。
本发明的一个方面提供一种压电致动器，其具有上述压电薄膜元件。
本发明的一个方面提供一种压电传感器，其具有上述压电薄膜元件。
本发明的一个方面提供一种压电转换器，其具有上述压电薄膜元件。
本发明的一个方面提供一种硬盘驱动器，其具有磁头悬臂组件，磁头悬臂组件具有磁头组件，磁头组件具有上述压电致动器
本发明的一个方面提供一种打印头，其具有上述压电致动器。
本发明的一个方面提供一种喷墨打印装置，其具有上述打印头。
根据本发明，提供压电性优异的压电薄膜、压电薄膜元件、以及使用了压电薄膜元件的压电致动器、压电传感器、压电转换器、硬盘驱动器、打印头和喷墨打印装置。
附图说明
图1A是本发明的一个实施方式的压电薄膜元件的示意图，图1B是图1A所示的压电薄膜元件的立体分解图，图1B中，省略了第一电极层、第一中间层、第二中间层和第二电极层。
图2是钙钛矿结构的晶胞的立体图。
图3A是钙钛矿结构的晶胞的立体图，表示钙钛矿结构的(001)面，图3B是钙钛矿结构的晶胞的立体图，表示钙钛矿结构的(110)面，图3C是钙钛矿结构的晶胞的立体图，表示钙钛矿结构的(111)面。
图4是用于表示压电薄膜的组成的三维坐标系。
图5是对应于图4所示的三角形的三角坐标系。
图6是本发明的一个实施方式的磁头组件的示意图。
图7是本发明的一个实施方式的压电致动器的示意图。
图8是本发明的一个实施方式的陀螺仪传感器的示意图(俯视图)。
图9是图8所示的陀螺仪传感器的沿着A-A线的向视剖视图。
图10是本发明的一个实施方式的压力传感器的示意图。
图11是本发明的一个实施方式的脉搏波传感器的示意图。
图12是本发明的一个实施方式的硬盘驱动器的示意图。
图13是本发明的一个实施方式的喷墨打印装置的示意图。
[符号说明]
10、40、50、100…压电薄膜元件，1…单晶基板，2…第一电极层，3、25、30、42、52…压电薄膜，4…第二电极层，5…第一中间层，6…第二中间层，DN…单晶基板的表面的法线方向，dn…压电薄膜的表面的法线方向，uc…钙钛矿结构的晶胞，a…晶胞的(100)面的面间隔，b…晶胞的(010)面的面间隔，c…晶胞的(001)面的面间隔，200…磁头组件，9…底板，11…负载杆，11b…基端部，11c…第一板簧部分，11d…第二板簧部分，11e…开口部，11f…杆主体部，15…挠性基板，17…挠曲部，19…磁头滑块，19a…磁头元件，300…压电致动器，20…基体，21…压力室，23…绝缘膜，24…单晶基板，26…上部电极层(第一电极层)，27…喷嘴，400…陀螺仪传感器，110…基部，120、130…臂部，31…上部电极层(第一电极层)，31a、31b…驱动电极层，31c、31d…检测电极层，32…单晶基板，500…压力传感器，41…共用电极层，43…个别电极层，44…支承体，45…空洞，46…电流放大器，47…电压测定器，600…脉搏波传感器，51…共用电极层，53…个别电极层，54…支承体，55…电压测定器，700…硬盘驱动器，60…壳体，61…硬盘，62…磁头悬臂组件，63…音圈马达，64…传动臂，65…磁头组件，800…喷墨打印装置，70…打印头，71…主体，72…托盘，73…喷头驱动机构，74…排出日，75…记录用纸，76…自动送纸器(自动连续供纸机构)。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选的一个实施方式的详细内容。但是，本发明不限定于下述实施方式。附图中，相同或等同的要素标注相同的符号。图1A和图1B所示的X轴、Y轴和Z轴是相互正交的三个坐标轴。图1A和图1B所示的坐标系与图4和图5所示的坐标系完全无关。
(压电薄膜和压电薄膜元件)
本实施方式的压电薄膜元件具有压电薄膜。例如，如图1A所示，本实施方式的压电薄膜元件10可以具有：单晶基板1、与单晶基板1重叠的第一电极层2(下部电极层)、与第一电极层2重叠的压电薄膜3、和与压电薄膜3重叠的第二电极层4(上部电极层)。压电薄膜元件10可以具有第一中间层5，第一中间层5可以配置于单晶基板1与第一电极层2之间，第一电极层2可以与第一中间层5的表面直接重叠。压电薄膜元件10可以具有第二中间层6，第二中间层6可以配置于第一电极层2与压电薄膜3之间，压电薄膜3可以与第二中间层6的表面直接重叠。单晶基板1、第一中间层5、第一电极层2、第二中间层6、压电薄膜3和第二电极层4各自的厚度可以均匀。如图1B所示，压电薄膜3的表面的法线方向dn可以与单晶基板1的表面的法线方向DN大致平行。
压电薄膜元件10的变形例可以不具有单晶基板1。例如，第一电极层2和压电薄膜3形成后，可以除去单晶基板1。压电薄膜元件10的变形例可以不具有第二电极层4。例如，不具有第二电极层的压电薄膜元件在可以作为产品供给电子设备的制造商之后，在电子设备的制造过程，将第二电极层施加于压电薄膜元件。在单晶基板1作为电极发挥作用的情况下，压电薄膜元件10的变形例可以不具有第一电极层2。也就是压电薄膜元件10的变形例可以具有单晶基板1和与单晶基板1重叠的压电薄膜3。压电薄膜3可以与单晶基板1直接重叠。压电薄膜3可以经由第一中间层5和第二中间层6中的至少一个中间层与单晶基板1重叠。
压电薄膜3包含金属氧化物。金属氧化物包含：铋(Bi)、钾(K)、钛(Ti)、铁(Fe)和元素M。元素M为镁(Mg)和镍(Ni)中的至少一种。金属氧化物为压电薄膜3的主成分。金属氧化物相对于压电薄膜3整体的比例可以为99％摩尔以上100摩尔％以下。压电薄膜3可以仅由金属氧化物构成。
至少一部分金属氧化物为具有钙钛矿结构的晶体。所有的金属氧化物可以为具有钙钛矿结构的晶体。以下，将具有钙钛矿结构的晶体记作钙钛矿型晶体。钙钛矿型晶体的晶胞在图2中表示。晶胞uc的位于A位点的元素为Bi或K。晶胞uc的位于B位点的元素为Ti、Mg、Ni或Fe。图2所示的晶胞uc与图3A、图3B和图3C所示的晶胞uc相同。但是，图3A、图3B和图3C中，为了表示晶面，省略晶胞uc中的B位点和氧(O)。a是对应于钙钛矿型晶体的(100)面的间隔的晶格常数。b是对应于钙钛矿型晶体的(010)面的间隔的晶格常数。c是对应于钙钛矿型晶体的(001)面的间隔的晶格常数。
钙钛矿型晶体的(001)面、(110)面或(111)面在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。例如，如图3A所示，钙钛矿型晶体的(001)面可以朝向压电薄膜3的表面的法线方向dn。也就是，钙钛矿型晶体的[001](晶面的方位)可以与压电薄膜3的表面的法线方向dn大致平行。如图3B所示，钙钛矿型晶体的(110)面可以朝向压电薄膜3的表面的法线方向dn。也就是，钙钛矿型晶体的[110](晶面的方位)可以与压电薄膜3的表面的法线方向dn大致平行。如图3C所示，钙钛矿型晶体的(111)面可以朝向压电薄膜3的表面的法线方向dn。也就是，钙钛矿型晶体的[111](晶面的方位)可以与压电薄膜3的表面的法线方向dn大致平行。钙钛矿型晶体在[001]、[110]或[111]可极化。因此，(001)面、(110)面或(111)面在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向，由此，压电薄膜3能够具有压电性。以下所记载的晶体取向性是指，钙钛矿型晶体的(001)面、(110)面或(111)面在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。
压电薄膜3可以包含多个钙钛矿型晶体，所有的钙钛矿型晶体的(001)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。所有的钙钛矿型晶体的(110)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。所有的钙钛矿型晶体的(111)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。一部分钙钛矿型晶体的(001)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向，另一部分钙钛矿型晶体的(110)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向，另一部分钙钛矿型晶体的(111)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。一部分钙钛矿型晶体的(001)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向，剩余的钙钛矿型晶体的(110)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。一部分钙钛矿型晶体的(110)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向，剩余的钙钛矿型晶体的(111)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。一部分钙钛矿型晶体的(001)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向，剩余的钙钛矿型晶体的(111)面可以在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。
各晶面的取向的程度可以根据取向度定量化。各晶面的取向度可以基于源自各晶面的衍射X射线的峰值算出。源自各晶面的衍射X射线的峰值可以通过压电薄膜3的表面的不共平面(Out of Plane)测定进行测定。(001)面的取向度可以表示为100×I(001)/ΣI(hkl)。(110)面的取向度可以表示为100×I(110)/ΣI(hkl)。(111)面的取向度可以表示为100×I(111)/ΣI(hkl)。I(001)是源自(001)面的衍射X射线的峰值的最大值。I(110)是源自(110)面的衍射X射线的峰值的最大值。I(111)是源自(111)面的衍射X射线的峰值的最大值。ΣI(hkl)为I(001)+I(110)+I(111)。(001)面的取向度可以表示为100×S(001)/ΣS(hkl)。(110)面的取向度可以表示为100×S(110)/ΣS(hkl)。(111)面的取向度可以表示为100×S(111)/ΣS(hkl)。S(001)是源自(001)面的衍射X射线的峰值的面积(峰值的积分)。S(110)是源自(110)面的衍射X射线的峰值的面积(峰值的积分)。S(111)是源自(111)面的衍射X射线的峰值的面积(峰值的积分)。ΣS(hkl)是S(001)+S(110)+S(111)。各晶面的取向的程度可以通过基于Lotgering法的取向度F进行定量化。晶面的取向度越大，压电薄膜的压电常数越大，因此，晶面的取向度可以为70％以上且100％以下，优选为80％以上且100％以下，更优选为90％以上且100％以下。
压电薄膜3容易具有较大的压电常数(d33)，因此，优选钙钛矿型晶体的(001)面优先在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。也就是，(001)面的取向度优选比(110)面和(111)面各自的取向度高。
钙钛矿型晶体可以在常温或居里温度以下的温度下为选自正方晶(tetragonalcrystal)、立方晶(cubic crystal)和菱面体晶(rhombohedral crystal)中的至少一种。优选至少一部分钙钛矿型晶体为正方晶。也就是，优选a与b相等，且c/a大于1.0。更优选所有的钙钛矿型晶体为正方晶。由于容易对压电薄膜3的表面作用面内应力，所以压电薄膜3容易在面内方向上收缩。其结果，压电薄膜3在面内方向的晶格常数a和b容易比压电薄膜3的表面的法线方向dn上的晶格常数c小，钙钛矿型晶体容易成为正方晶。通过钙钛矿型晶体为正方晶，正方晶具有上述的晶体取向性，从而压电薄膜3容易具有较大的压电常数d33。
优选正方晶的(001)面在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。通过上述的面内应力，压电薄膜3的表面的法线方向dn上的晶格常数c容易比压电薄膜3在面内方向上的晶格常数a和b大。其结果，压电薄膜3容易在压电薄膜3的表面的法线方向dn上极化，正方晶的(001)面容易在压电薄膜3的表面的法线方向dn上取向。通过正方晶的(001)面在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向，由此，压电薄膜3容易具有较大的压电常数d33。与压电薄膜3对比，压电体的块体中，难以发生面内应力引起的晶体结构的应变。因此，构成压电体的块体的大多数钙钛矿型晶体为立方晶，压电体的块体难以具有钙钛矿型晶体的正方晶引起的压电性。
通过压电薄膜3具有上述的组成和晶体取向性，压电薄膜3能够具有较大的压电常数(d33)。上述的晶体取向性是薄膜中固有的特征。薄膜是通过气相生长法或溶液法而形成的结晶质的膜。而具有与压电薄膜3相同组成的压电体的块体难以具有上述的晶体取向性。这是由于，压电体的块体是包含压电体的必须元素的粉末的烧结体(陶瓷)，难以控制构成烧结体的大量晶体的结构和取向性。由于压电体的块体包含Fe，压电体的块体的电阻率比压电薄膜3低。其结果，漏电流容易在压电体的块体中产生。因此，难以通过施加较高的电场使压电体的块体极化，压电体的块体难以具有较大的压电常数(d33)。
包含于压电薄膜3的金属氧化物可以由下述化学式1表示。下述化学式1与下述化学式1a实质上相同。
x(BiαK1－α)TiO3－yBi(MβTi1－β)O3－zBiFeO3 (1)
(BiαK1－α)xBiy+zTix(MβTi1－β)yFez O3±δ (1a)
上述化学式1中的x、y和z分别为正实数。x+y+z为1。上述化学式1中的x大于0且小于1。上述化学式1中的y大于0且小于1。上述化学式1中的z大于0且小于1。上述化学式1中的α大于0且小于1。上述化学式1中的β大于0且小于1。压电薄膜3容易具有较大的d33，因此，α可以为0.5，β可以为0.5。上述化学式1中的M表示为MgγNi1－γ。γ为0以上且1以下。金属氧化物中的Bi和K的摩尔数的合计值可以表示为[A]，金属氧化物中的Ti、Fe和元素M的摩尔数的合计值可以表示为[B]，[A]/[B]可以为1.0。只要金属氧化物能够具有钙钛矿结构，[A]/[B]也可以为1.0以外的值。也就是，[A]/[B]可以小于1.0，也可以大于1.0。上述化学式1a中的δ为0以上。只要金属氧化物能够具有钙钛矿结构，δ也可以为0以外的值。例如，δ可以比0大且为1.0以下。δ可以根据例如钙钛矿结构的A位点的离子和B位点的离子各自的价数算出。各离子的价数可以通过X射线光电子分光(XPS)法测定。只要不损坏压电薄膜3的压电性，压电薄膜3除了Bi、K、Ti、Fe、元素M和O之外，还可以含有其它的元素。
以下，将(BiαK1－α)TiO3记作BKT。将Bi(MβTi1－β)O3记作BMT。将BiFeO3记作BFO。将具有以BKT及BMT的和表示的组成的金属氧化物记作BKT-BMT。将具有以上述化学式1表示的组成的金属氧化物记作xBKT-yBMT-zBFO。BKT、BMT、BFO、BKT-BMT和xBKT-yBMT-zBFO各自的晶体具有钙钛矿结构。
BKT的晶体在常温下为正方晶，BKT为铁电体。BMT的晶体在常温下为菱面体晶，BMT为铁电体。BFO的晶体在常温下为菱面体晶，BFO为铁电体。由BKT-BMT构成的薄膜在常温下为正方晶。BKT-BMT的正方晶的c/a具有比BKT和BMT各自的c/a大的倾向。由BKT-BMT构成的薄膜的铁电性比由BKT构成的薄膜和由BMT构成的薄膜的铁电性优异。由xBKT-yBMT-zBFO构成的薄膜具有在常温下为正方晶的倾向。xBKT-yBMT-zBFO的正方晶的c/a具有比BKT-BMT的c/a大的倾向。由xBKT-yBMT-zBFO构成的薄膜的铁电性比由BKT-BMT构成的薄膜的铁电性优异。也就是，包含xBKT-yBMT-zBFO的压电薄膜3可以为铁电性薄膜。推测压电薄膜3的铁电性是由于xBKT-yBMT-zBFO的组成具有准同型相界(Morphotropic Phase Boundary，MPB)而引起的。通过压电薄膜3具有铁电性，压电薄膜3容易具有较大的压电常数(d33)。与压电薄膜3对比，包含于xBKT-yBMT-zBFO的块体的晶体为伪立方晶，xBKT-yBMT-zBFO的块体难以具有上述的晶体取向性和铁电性。
xBKT-yBMT-zBFO的组成可以基于三维的坐标系表示。如图4所示，三维的坐标系由X轴、Y轴和Z轴构成。坐标系中的任意的坐标表示为(X，Y，Z)。坐标系中的坐标(x，y，z)表示上述化学式1中的x、y和z。化学式1中的x、y和z之和为1，x、y和z均为正实数。因此，坐标(x，y，z)位于由X+Y+Z＝1表示的平面中以虚线绘制的三角形的内侧。也就是，坐标(x，y，z)位于顶点为坐标(1，0，0)、坐标(1，1，0)和坐标(0，0，1)的三角形的内侧。该三角形作为三角坐标表示在图5中。图5中的坐标A为(0.300，0.100，0.600)。坐标B为(0.450，0.250，0.300)。坐标C为(0.200，0.500，0.300)。坐标D为(0.100，0.300，0.600)。坐标E为(0.400，0.200，0.400)。坐标F为(0.200，0.400，0.400)。坐标A、坐标B、坐标C、坐标D、坐标E和坐标F均位于由X+Y+Z＝1表示的平面内。表示化学式1中的x、y和z的坐标(x，y，z)可以位于顶点为坐标A、坐标B、坐标C和坐标D的四边形以内。在坐标(x，y，z)处于四边形ABCD以内的情况下，xBKT-yBMT-zBFO的组成容易具有MPB，压电薄膜3的压电性和铁电性容易提高。由于同样的原因，坐标(x，y，z)可以位于顶点为坐标A、坐标E、坐标F和坐标D的四角形以内。x可以与y相等。在x与y相等的情况下，坐标(x，y，z)位于通过坐标(0.500，0.500，0)和坐标(0，0，1)的直线上。在x与y相等的情况下，xBKT-yBMT-zBFO的组成容易具有MPB，压电薄膜3的压电性和铁电性容易提高。
x可以为0.100以上0.450以下，y可以为0.100以上0.500以下，z可以为0.300以上0.600以下。x可以为0.100以上0.400以下，y可以为0.100以上0.400以下，z可以为0.400以上.0.600以下。x可以为0.150以上0.350以下，y可以为0.150以上0.350以下，z可以为0.300以上0.600以下。x可以为0.250以上0.300以下，y可以为0.250以上0.300以下，z可以为0.400以上0.600以下。在x、y和z为上述的范围，且x+y+z为1的情况下，xBKT-yBMT-zBFO的组成容易具有MPB，压电薄膜3的压电性和铁电性容易提高。
压电薄膜3的厚度例如可以为10nm以上10μm以下。压电薄膜3的面积例如可以为1μm2以上500mm2以下。单晶基板1、第一中间层5、第一电极层2、第二中间层6和第二电极层4各自的面积可以与压电薄膜3的面积相同。
压电薄膜的组成可以通过例如荧光X射线分析法(XRF法)或电感耦合等离子体(ICP)发光分光法分析。压电薄膜的晶体结构和晶体取向性可以通过X射线衍射(XRD)法鉴定。
压电薄膜3例如可以通过以下方法形成。
作为压电薄膜3的原料，可以使用具有与压电薄膜3同样组成的靶材。靶材的制作方法如下。
作为初始原料，例如可以使用氧化铋、碳酸钾、氧化钛、元素M的氧化物和氧化铁各自的粉末。元素M的氧化物可以是氧化镁和氧化镍中的至少任一种。作为初始原料，可以代替上述的氧化物，使用碳酸盐或草酸盐等那样通过烧制成为氧化物的物质。将这些初始原料以100℃以上充分干燥之后，以Bi、K、Ti、元素M和Fe的摩尔数成为上述化学式1中规定的范围内的方式，称重各初始原料。后述的气相生长法中，靶材中的Bi和K比其它的元素容易挥发。因此，靶材中的Bi的摩尔比可以调整成比压电薄膜3中的Bi的摩尔比高的值。靶材中的K的摩尔比可以调整成比压电薄膜3中的K的摩尔比高的值。
将称重后的初始原料在有机溶剂或水中充分混合。混合时间可以为5小时以上20小时以下。混合装置可以为球磨机。将混合后的初始原料充分干燥后，初始原料利用冲压机成型。通过对成型的初始原料进行预烧(calcine)，得到预烧物。预烧的温度可以为750℃以上900℃以下。预烧的时间可以为1小时以上3小时以下。预烧物在有机溶剂或水中粉碎。粉碎时间可以为5小时以上30小时以下。粉碎装置可以为球磨机。粉碎的预烧物在干燥后，对添加了粘合剂溶液的预烧物进行造粒，由此，得到预烧物的粉末。通过预烧物的粉末的冲压成型，得到块状的成型体。
通过加热块状的成型体，使成型体中的粘合剂挥发。加热温度可以为400℃以上800℃以下。加热时间可以为2小时以上4小时以下。接着，烧制(sinter)成型体。烧制温度可以为800℃以上1100℃以下。烧制时间可以为2小时以上4小时以下。烧制过程中的成型体的升温速度和降温速度可以例如为50℃/小时以上300℃/小时以下。
通过以上的工序，得到靶材。包含于靶材的金属氧化物的晶粒的平均粒径例如可以为1μm以上20μm以下。
通过使用了上述靶材的气相生长法，可以形成压电薄膜3。气相生长法中，在真空气氛下，使构成靶材的元素蒸发。蒸发的元素附着、沉积于第二中间层6、第一电极层2或单晶基板1的任意表面，由此，压电薄膜3生长。气相生长法例如可以是溅射法、电子束蒸镀法、化学蒸镀法(Chemical Vapor Deposition)法或脉冲激光沉积(Pulsed-laserdeposition)法。以下，将脉冲激光沉积法记作PLD法。通过使用这些气相生长法，能够形成原子水平上致密的压电薄膜3，抑制压电薄膜3中的元素的偏析。根据气相生长法的种类不同，激发源不同。溅射法的激发源为Ar等离子体。电子束蒸镀法的激发源为电子束。PLD法的激发源为激光(例如，准分子激光)。这些激发源照射于靶材时，构成靶材的元素蒸发。
即使是上述的气相生长法中，在以下的点上，也是PLD法比较优异。PLD法中，通过脉冲激光，能够使构成靶材的各元素一瞬间均匀地等离子体化。因此，容易形成具有与靶材大致相同的组成的压电薄膜3。另外，PLD法中，通过改变激光的脉冲数(重复频率)，容易控制压电薄膜3的厚度。
压电薄膜3可以为外延膜。也就是，压电薄膜3可以通过外延生长形成。通过外延生长，容易形成晶体取向性优异的压电薄膜3。在压电薄膜3通过PLD法形成的情况下，容易通过外延生长形成压电薄膜3。
PLD法中，可以一边加热真空腔室内的单晶基板1和第一电极层2，一边形成压电薄膜3。单晶基板1和第一电极层2的温度(成膜温度)只要为例如300℃以上800℃以下、500℃以上700℃以下、或500℃以上600℃以下即可。成膜温度越高，单晶基板1或第一电极层2的表面的清洁度越被改善，压电薄膜3的结晶性越高，其晶面的取向度越容易变高。在成膜温度过高的情况下，Bi或K容易从压电薄膜3脱离，难以控制压电薄膜3的组成。
PLD法中，真空腔室内的氧分压例如可以比10mTorr大且低于400mTorr，15mTorr以上300mTorr以下，或20mTorr以上200mTorr以下。换言之，真空腔室内的氧分压例如可以比1Pa大且低于53Pa，2Pa以上40Pa以下，或3Pa以上30Pa以下。通过氧分压维持在上述范围内，沉积于单晶基板1上的Bi、K、Ti、元素M和Fe容易被充分氧化。在氧分压过高的情况下，压电薄膜3的生长速度容易降低，压电薄膜3的晶面的取向度容易降低。
通过PLD法控制的上述以外的参数例如为激光振荡频率和基板-靶材间的距离等。通过这些参数的控制，容易控制压电薄膜3的晶体结构和晶体取向性。例如，在激光振荡频率为10Hz以下的情况下，压电薄膜3的晶面的取向度容易变高。
可以在压电薄膜3生长之后，进行压电薄膜3的退火处理(加热处理)。退火处理中的压电薄膜3的温度(退火温度)例如可以为300℃以上1000℃以下、600℃以上.1000℃以下、或850℃以上1000℃以下。通过压电薄膜3的退火处理，具有压电薄膜3的压电性进一步提高的倾向。特别是通过在850℃以上1000℃以下的退火处理，压电薄膜3的压电性容易提高。但是，退火处理不是必须的。
单晶基板1可以是例如由Si的单晶构成的基板或由GaAs等化合物半导体的单晶构成的基板。单晶基板1可以是由MgO或钙钛矿型氧化物(例如SrTiO3)等的氧化物的单晶构成的基板。单晶基板1的厚度例如可以为10μm以上1000μm以下。在单晶基板1具有导电性的情况下，单晶基板1作为电极发挥作用，因此，可以没有第一电极层2。也就是，具有导电性的单晶基板1例如可以为掺杂了铌(Nb)的SrTiO3的单晶。
单晶基板1的晶体取向可以与单晶基板1的表面的法线方向DN相等。也就是，单晶基板1的表面可以与单晶基板1的晶面平行。单晶基板1可以为单轴取向基板。例如选自(100)面、(001)面、(110)面、(101)面和(111)面中的一个晶面可以与单晶基板1的表面平行。也就是，选自[100]、[001]、[110]、[101]和[111]中的一个方位可以与单晶基板1的表面的法线方向DN平行。
在单晶基板1(例如Si)的(100)面与单晶基板1的表面平行的情况下，压电薄膜3中的钙钛矿型晶体的(001)面容易在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。在单晶基板1的(110)面与单晶基板1的表面平行的情况下，压电薄膜3中的钙钛矿型晶体的(110)面容易在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。在单晶基板1的(111)面与单晶基板1的表面平行的情况下，压电薄膜3中的钙钛矿型晶体的(111)面容易在压电薄膜3的表面的法线方向dn上进行取向。
如上所述，第一中间层5可以配置于单晶基板1与第一电极层2之间。第一中间层5可以包含选自例如钛(Ti)、铬(Cr)、氧化钛(TiO2)、氧化硅(SiO2)和氧化锆(ZrO2)中的至少一种。通过经由第一中间层5，第一电极层2容易与单晶基板1密合。第一中间层5可以为结晶质的。第一中间层5的晶面可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上进行取向。单晶基板1的晶面和第一中间层5的晶面双方可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上进行取向。第一中间层5的形成方法可以是溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋涂法或溶胶-凝胶法。
第一中间层5可以包含ZrO2和稀土元素的氧化物。通过第一中间层5包含ZrO2和稀土元素的氧化物，包含铂的晶体的第一电极层2容易形成于第一中间层5的表面，铂的晶体的(002)面容易在第一电极层2的表面的法线方向上进行取向，铂的晶体的(200)面容易在第一电极层2的表面的面内方向上进行取向。稀土元素可以是选自钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、和镥(Lu)中的至少一种。第一中间层5可以包含氧化钇稳定化氧化锆(添加了Y2O3的ZrO2)。通过第一中间层5包含氧化钇稳定化氧化锆，包含铂的晶体的第一电极层2容易形成于第一中间层5的表面，铂的晶体的(002)面容易在第一电极层2的表面的法线方向上进行取向，铂的晶体的(200)面容易在第一电极层2的表面的面内方向上进行取向。由于同样的原因，第一中间层5可以具有由ZrO2构成的第一层和由Y2O3构成的第二层。第一层可以与单晶基板1的表面直接层叠，第二层可以与第一层的表面直接层叠，第一电极层2可以与第二层的表面直接层叠。
第一电极层2可以包含例如选自Pt(铂)、Pd(钯)、Rh(铑)、Au(金)、Ru(钌)、Ir(铱)、Mo(钼)、Ti(钛)、Ta(钽)和Ni(镍)中的至少一种金属。第一电极层2可以包含例如钌酸锶(SrRuO3)、镍酸镧(LaNiO3)或钴酸镧锶((La，Sr)CoO3)等导电性金属氧化物。第一电极层2可以为结晶质的。第一电极层2的晶面可以在单晶基板1的法线方向DN上进行取向。第一电极层2的晶面可以与单晶基板1的表面大致平行。单晶基板1的晶面、第一电极层2的晶面双方可以在单晶基板1的法线方向DN上进行取向。第一电极层2的晶面可以与压电薄膜3中进行取向的钙钛矿型晶体的晶面大致平行。第一电极层2的厚度可以为例如1nm以上1.0μm以下。第一电极层2的形成方法可以是溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋涂法或溶胶-凝胶法。在印刷法、旋涂法或溶胶-凝胶法的情况下，为了提高第一电极层2的结晶性，可以进行第一电极层2的加热处理(退火)。
第一电极层2可以包含铂的晶体。第一电极层2可以仅由铂的晶体构成。铂的晶体为具有面心立方晶格结构的立方晶。铂的晶体的(002)面可以在第一电极层2的表面的法线方向上进行取向，铂的晶体的(200)面可以在第一电极层2的表面的面内方向上进行取向。换言之，铂的晶体的(002)面可以与第一电极层2的表面大致平行，铂的晶体的(200)面可以与第一电极层2的表面大致垂直。通过构成第一电极层2的铂的晶体的(002)面和(200)面具有上述的取向性，压电薄膜3容易在第一电极层2的表面上外延生长，压电薄膜3容易包含钙钛矿型晶体的正方晶，正方晶的(001)面容易在压电薄膜3的表面的法线方向dn上优先取向。第一电极层2的表面可以与压电薄膜3的表面大致平行。也就是，第一电极层2的表面的法线方向可以与压电薄膜3的表面的法线方向dn大致平行。
如上所述，第二中间层6可以配置于第一电极层2与压电薄膜3之间。第二中间层6可以包含例如选自SrRuO3、LaNiO3和(La，Sr)CoO3中的至少一种。通过经由第二中间层6，压电薄膜3容易与第一电极层2密合。第二中间层6可以为结晶质的。第二中间层6的晶面可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上进行取向。单晶基板1的晶面和第二中间层6的晶面双方可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上进行取向。第二中间层6的形成方法可以是溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋涂法或溶胶-凝胶法。
第二电极层4可以包含例如选自Pt、Pd、Rh、Au、Ru、Ir、Mo、Ti、Ta和Ni中的至少一种金属。第二电极层4可以包含例如选自LaNiO3、SrRuO3和(La，Sr)CoO3中的至少一种导电性金属氧化物。第二电极层4可以为结晶质的。第二电极层4的晶面可以在单晶基板1的法线方向DN上进行取向。第二电极层4的晶面可以与单晶基板1的表面大致平行。第二电极层4的晶面可以与压电薄膜3中取向的钙钛矿型晶体的晶面大致平行。第二电极层4的厚度例如可以为1nm以上1.0μm以下。第二电极层4的形成方法可以是溅射法、真空蒸镀法、印刷法、旋涂法或溶胶-凝胶法。在印刷法、旋涂法或溶胶-凝胶法的情况下，为了提高第二电极层4的结晶性，可以进行第二电极层4的加热处理(退火)。
第三中间层可以配置于压电薄膜3与第二电极层4之间。通过经由第三中间层，第二电极层4容易与压电薄膜3密合。第三中间层的组成、晶体结构和形成方法可以与第二中间层相同。
压电薄膜元件10的表面的至少一部分或整体可以被保护膜包覆。通过保护膜的包覆，例如压电薄膜元件10的耐湿性提高。
本实施方式的压电薄膜元件的用途各式各样。压电薄膜元件可以用于例如压电致动器。压电致动器可以用于例如磁头组件、磁头悬臂组件或硬盘驱动器。压电致动器可以用于例如打印头或喷墨打印装置。压电薄膜元件可以用于例如压电转换器。压电薄膜元件可以用于例如压电传感器。压电传感器可以是例如陀螺仪传感器、压力传感器、脉搏波传感器、超声波传感器或震动传感器。压电薄膜元件可以适用至例如麦克风。压电薄膜元件可以应用于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems；MEMS)的一部分。
(压电致动器)
图6表示搭载于硬盘驱动器(HDD)的磁头组件200。磁头组件200具有：底板9、负载杆11、挠曲部17、第一和第二压电薄膜元件100、以及磁头滑块19。第一和第二压电薄膜元件100为磁头滑块19用的驱动元件。磁头滑块19具有磁头元件19a。
负载杆11具有：固装于底板9的基端部11b、从该基端部11b延伸的第一板簧部11c和第二板簧部11d、形成于板簧部11c与板簧部11d之间的开口部11e、连续于板簧部11c和11d并进行直线延伸的杆主体部11f。第一板簧部11c和第二板簧部11d成为前端变细的形状。杆主体部11f也成为前端变细的形状。
第一和第二压电薄膜元件100保持预定的间隔配置于作为挠曲部17的一部分的布线用挠性基板15上。磁头滑块19固定于挠曲部17的前端部，随着第一和第二压电薄膜元件100的伸缩而旋转运动。
图7表示打印头用的压电致动器300。压电致动器300具有：基体20、与基体20重叠的绝缘膜23、与绝缘膜23重叠的单晶基板14、与单晶基板14重叠的压电薄膜25、和与压电薄膜25重叠的上部电极层26(第二电极层)。单晶基板14具有导电性，也具有作为下部电极层的功能。下部电极层也可以称为上述的第一电极层。上部电极层也可以称为上述的第二电极层。
在不供给预定的喷出信号，且不对单晶基板14(下部电极层)与上部电极层26之间施加电场的情况下，压电薄膜25不变形。在与没有供给喷出信号的压电薄膜25相邻的压力室21内，未产生压力变化，不从该喷嘴27喷出墨滴。
另一方面，在供给预定的喷出信号，且对单晶基板14(下部电极层)与上部电极层26之间施加一定电场的情况下，压电薄膜25变形。绝缘膜23由于压电薄膜25的变形而大幅弯曲，因此，压力室21内的压力瞬间变高，并从喷嘴27喷出墨滴。
(压电传感器)
图8和图9表示作为压电传感器的一种的陀螺仪传感器400。陀螺仪传感器400具有基部110、与基部110的一个面连接的一对臂部120和130。一对臂部120和130为音叉振荡器。即，陀螺仪传感器400是音叉振荡器型的角速度检测元件。该陀螺仪传感器400通过将构成上述的压电薄膜元件的压电薄膜30、上部电极层31和单晶基板32加工成音叉型振荡器的形状而得到。基部110和臂部120和130与压电薄膜元件一体化。单晶基板32具有导电性，也具有作为下部电极层的功能。
在一个臂部120的第一主面形成有驱动电极层31a和31b以及检测电极层31d。同样，在另一臂部130的第一主面形成有驱动电极层31a和31b以及检测电极层31c。各电极层31a、31b、31c、31d通过将上部电极层31利用蚀刻而加工成规定的电极的形状而得到。
单晶基板32(下部电极层)形成于基部110以及臂部120和130各自的第二主面(第一主面的背面)的整体。单晶基板32(下部电极层)作为陀螺仪传感器400的接地电极发挥作用。
通过将臂部120和130各自的长边方向规定为Z方向，且将包含臂部120和130的主面的平面规定为XZ平面，来定义XYZ正交坐标系。
当对驱动电极层31a、31b供给驱动信号时，两个臂部120、130以面内振动模式进行激励振荡。面内振动模式是两个臂部120、130在与两个臂部120、130的主面平行的方向上激励振荡的模式。例如，一个臂部120在﹣X方向上以速度V1激励振荡时，另一臂部130在+X方向上以速度V2进行激励振荡。
在该状态下，如果对陀螺仪传感器400施加以Z轴为旋转轴的角速度ω的旋转时，相对于臂部120、130各自在与速度方向正交的方向上作用科里奥利力(Coriolis force)。其结果，臂部120、130开始以面外振动模式激励振荡。面外振动模式是两个臂部120、130在与两个臂部120、130的主面正交的方向上进行激励振荡的模式。例如，作用于一个臂部120的科里奥利力F1为﹣Y方向时，作用于另一臂部130的科里奥利力F2为﹢Y方向。
科里奥利力F1、F2的大小与角速度ω成比例，因此，将科里奥利力F1、F2引起的臂部120、130的机械应变利用压电薄膜30转换成电信号(检测信号)，并将该信号从检测电极层31c、31d取出，由此，求得角速度ω。
图10表示作为压电传感器的一种的压力传感器500。压力传感器500由压电薄膜元件40、支承压电薄膜元件40的支承体44、电流放大器46和电压测定器47构成。压电薄膜元件40由共用电极层41、与共用电极层41重叠的压电薄膜42、和与压电薄膜42重叠的个别电极层43构成。共用电极层41为导电性的单晶基板。由共用电极层41和支承体44包围的空洞45对应压力。如果对压力传感器500作用外力，则压电薄膜元件40弯曲，由电压测定器47检测电压。
图11表示作为压电传感器的一种的脉搏波传感器600。脉搏波传感器600由压电薄膜元件50、支承压电薄膜元件50的支承体54和电压测定器55构成。压电薄膜元件50由共用电极层51、与共用电极层51重叠的压电薄膜52、和与压电薄膜52重叠的个别电极层53构成。共用电极层51为导电性的单晶基板。如果使脉搏波传感器600的支承体54的背面(没有搭载压电薄膜元件50的面)抵接于生物体的动脉上，则在生物体的脉搏引起的压力下，支承体54和压电薄膜元件50弯曲，由电压测定器55检测电压。
(硬盘驱动器)
图12表示搭载有图6所示的磁头组件的硬盘驱动器700。图12的磁头组件65与图6的磁头组件200相同。
硬盘驱动器700具有壳体60、设置于壳体60内的硬盘61(记录介质)和磁头悬臂组件62。硬盘61利用马达进行旋转。磁头悬臂组件62向硬盘61记录磁信息，或再生记录于硬盘61的磁信息。
磁头悬臂组件62具有：音圈马达63、支承于支承轴的传动臂(Actuator arm)64、和与传动臂64连接的磁头组件65。传动臂64利用音圈马达63绕支承轴旋转自如。传动臂64分成多个臂部，在各臂部分别连接有磁头组件65。也就是，多个臂部和磁头组件65沿着支承轴层叠。在磁头组件65的前端部，以与硬盘61对置的方式安装磁头滑块19。
磁头组件65(200)使磁头元件19a以两个阶段变动。磁头元件19a的较大的移动通过利用音圈马达63的磁头组件65和传动臂64的整体的驱动进行控制。磁头元件19a的微小的移动通过位于磁头组件65的前端部的磁头滑块19的驱动进行控制。
(喷墨打印装置)
图13表示喷墨打印装置800。喷墨打印装置800具有打印头70、主体71、托盘72和喷头驱动机构73。图13的打印头70具有图7的压电致动器300。
喷墨打印装置800具有黄、品红、青色、黑总计4种颜色的墨盒。可利用喷墨打印装置800进行全彩印刷。在喷墨打印装置800的内部搭载有专用的控制板等。控制板等控制打印头70的喷墨时间和喷头驱动机构73的扫描。在主体71的背面设置有托盘72，在托盘72的一端侧设置有自动送纸器(自动连续供纸机构)76。自动送纸器76自动地送出记录用纸75，并从正面的排出口74排出记录用纸75。
[实施例]
以下，通过实施例更详细地说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。
(实施例1)
在实施例1的压电薄膜元件的制作中，使用了由Si构成的单晶基板。Si的(100)面与单晶基板的表面平行。单晶基板为20mm×20mm的正方形。单晶基板的厚度为500μm。
在真空腔室内，由ZrO2和Y2O3构成的结晶质的第一中间层形成于单晶基板的表面整体。第一中间层通过溅射法形成。第一中间层的厚度为30nm。
在真空腔室内，由Pt的晶体构成的第一电极层形成于第一中间层的表面整体。第一电极层通过溅射法形成。第一电极层的厚度为200nm。第一电极层的形成过程中的单晶基板的温度(成膜温度)维持在500℃。
通过第一电极层的表面的Out of Plane测定，测定第一电极层的X射线衍射(XRD)图案。通过第一电极层的表面的In Plane测定，而测定第一电极层的XRD图案。这些XRD图案的测定中，使用了株式会社Rigaku制的X射线衍射装置(SmartLab)。以XRD图案中的各峰值强度相对于背景强度高至少3位数以上的方式设定测定条件。通过Out of Plane测定，检测Pt的晶体的(002)面的衍射X射线的峰值。也就是，Pt的晶体的(002)面在第一电极层的表面的法线方向上进行取向。通过In Plane测定，检测Pt的晶体的(200)面的衍射X射线的峰值。也就是，Pt的晶体的(200)面在第一电极层的表面的面内方向上进行取向。
在真空腔室内，压电薄膜形成于第一电极层的表面整体。压电薄膜通过PLD法形成。压电薄膜的厚度为2000nm。压电薄膜的形成过程中的单晶基板的温度(成膜温度)维持在500℃。压电薄膜的形成过程中的真空腔室内的氧分压维持在10Pa。压电薄膜的原料中使用了靶材(原料粉末的烧结体)。在制作靶材时，根据设为目的的压电薄膜的组成，调整原料粉末(氧化铋，碳酸钾，氧化钛，氧化镁和氧化铁)的配合比。作为目标的压电薄膜的组成以下述化学式1A表示。下述化学式1A中的x、y和z各自的值为下述表1所示的值。
xBi0.5K0.5TiO3-yBiMg0.5TiO3-zBiFeO3 (1A)
压电薄膜的组成通过荧光X射线分析法(XRF法)分析。分析中使用了日本飞利浦株式会社制的装置PW2404。分析的结果，实施例1的压电薄膜的组成以上述化学式1A表示，上述化学式1A中的x、y和z各自的值为下述表1所示的值。也就是压电薄膜的组成与靶材的组成大致一致。
通过压电薄膜的表面的Out of Plane测定，测定压电薄膜的XRD图案。通过压电薄膜的表面的In Plane测定，测定压电薄膜的XRD图案。XRD图案的测定装置和测定条件与上述一样。
压电薄膜的XRD图案表示压电薄膜由钙钛矿型晶体构成。通过Out of Plane测定，检测钙钛矿型晶体的(001)面的衍射X射线的峰值。即，钙钛矿型晶体的(001)面在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。基于XRD图案，算出钙钛矿型晶体的(001)面的取向度。(001)面的取向度表示为100×I(001)/ΣI(hkl)。取向度的定义的详细内容如上所述。实施例1的(001)面的取向度在下述表1中表示。
通过Out of Plane测定，得到压电薄膜的表面的法线方向上的钙钛矿型晶体的晶格常数c。晶格常数c也被称为与压电薄膜的表面平行的晶面的间隔。通过In Plane测定，得到与压电薄膜的表面平行的方向上的钙钛矿型晶体的晶格常数a和b。晶格常数a和b也被称为与压电薄膜的表面垂直的晶面的间隔。a和b相互大致相等。a和b均小于c。也就是，包含于压电薄膜的钙钛矿型晶体为正方晶。
通过以上的方法，制作具有单晶基板、与单晶基板重叠的第一中间层、与第一中间层重叠的第一电极层和与第一电极层重叠的压电薄膜的层叠体。使用该层叠体进一步实施以下的工序。
在真空腔室内，在压电薄膜的表面整体形成由Pt构成的第二电极层。第二电极层通过溅射法形成。第二电极层的形成过程中的单晶基板的温度维持在500℃。第二电极层的厚度为200nm。
通过以上的工序，制作具有单晶基板、与单晶基板重叠的第一中间层、与第一中间层重叠的第一电极层、与第一电极层重叠的压电薄膜和与压电薄膜重叠的第二电极层的层叠体。接着，通过光刻进行单晶基板上的层叠结构的图案化。图案化后，通过切割切断层叠体。
通过以上的工序，得到长方形的实施例1的压电薄膜元件。压电薄膜元件具有：单晶基板、与单晶基板重叠的第一中间层、与第一中间层重叠的第一电极层、与第一电极层重叠的压电薄膜和与压电薄膜重叠的第二电极层。压电薄膜的可动部分的面积为20mm×1.0mm。
[压电常数d33，f的测定]
使用实施例1的压电薄膜元件测定压电薄膜的压电常数d33，f。测定中使用了组合原子力显微镜(AFM)和铁电体评价系统的装置。原子力显微镜为Seiko Instruments株式会社制的SPA-400，铁电体评价系统为东阳特克尼卡株式会社(TOYO Corporation)制的FCE。压电常数d33，f的测定中的交流电场(交流电压)的频率为5Hz。施加于压电薄膜的电压的最大值为20V。d33，f的单位为pm/V。实施例1的压电常数d33，f在下述表1中表示。
(实施例2～18和比较例1～3)
除了压电薄膜的形成中使用的靶材的组成不同之外，通过与实施例1同样的方法，制作实施例2～18和比较例1～3各自的压电薄膜元件。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例2～18各自的第一电极层的XRD图案。在实施例2～18的任意情况下，构成第一电极层的Pt的晶体的(002)面均在第一电极层的表面的法线方向上进行取向，Pt的晶体的(200)面在第一电极层的表面的面内方向上进行取向。
通过与实施例1同样的方法，分析实施例2～18和比较例1～3各自的压电薄膜的组成。在实施例2～18和比较例1～3的任意情况下，压电薄膜的组成均与靶材的组成大致一致。实施例2～18和比较例1～3各自的压电薄膜的组成(x、y和z各自的值)在下述的表1中表示。实施例2～16和18各自的x、y和z作为坐标(x，y，z)在图5(三角坐标)中表示。图5中的坐标A与实施例1对应。图5中的坐标B与实施例2对应。图5中的坐标C与实施例3对应。图5中的坐标D与实施例4对应。图5中的坐标E与实施例5对应。函5中的坐标F与实施例6对应。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例2～18和比较例1～3各自的压电薄膜的XRD图案。实施例2～18和比较例1～3的任意的XRD图案均表示压电薄膜由钙钛矿型晶体构成。在实施例2～18和比较例1～3的任意情况下，钙钛矿型晶体的(001)面均在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。在实施例2～18的任意情况下，包含于压电薄膜的钙钛矿型晶体均为正方晶。实施例2～18和比较例1～3各自的(001)面的取向度在下述表1中表示。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例2～18和比较例1～3各自的压电薄膜的压电常数d33，f。实施例2～18和比较例1～3各自的压电常数d33，f在下述表1中表示。
[表1]
(实施例20、21和比较例4)
实施例20的压电薄膜的形成过程中的真空腔室内的氧分压维持在1Pa。
实施例21的压电薄膜的形成过程中的真空腔室内的氧分压维持在20Pa。
比较例4的压电薄膜的形成过程中的真空腔室内的氧分压维持在0.1Pa。
除了压电薄膜的形成过程中的氧分压之外，通过与实施例9同样的方法，制作实施例20、21和比较例娃各自的压电薄膜元件。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例20、21和比较例4各自的第一电极层的XRD图案。在实施例20、21和比较例4的任意的情况下，构成第一电极层的Pt的晶体的(002)面均在第一电极层的表面的法线方向上进行取向，Pt的晶体的(200)面均在第一电极层的表面的面内方向上进行取向。
通过与实施例1同样的方法，分析实施例20、21和比较例4各自的压电薄膜的组成。在实施例20、21和比较例4的任意的情况下，压电薄膜的组成均与靶材的组成大致一致。实施例20、21和比较例4各自的压电薄膜的组成(x、y和z各自的值)在下述的表2中表示。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例20、21和比较例4各自的压电薄膜的XRD图案。实施例20、21和比较例4的任意XRD图案均表示压电薄膜由钙钛矿型晶体构成。
在实施例20的情况下，钙钛矿型晶体的(110)面在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。
在实施例21的情况下，钙钛矿型晶体的(111)面在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。
在比较例4的情况下，钙钛矿型晶体的特定的晶面没有在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。也就是在比较例4的情况下，任意晶面的取向度均低于50％。
基于XRD图案，算出实施例20的钙钛矿型晶体的(110)面的取向度。(110)面的取向度表示为100×I(110)/ΣI(hkl)。取向度的定义的详细内容如上所述。实施例20的(110)面的取向度在下述表2中表示。
基于XRD图案，算出实施例21的钙钛矿型晶体的(111)面的取向度。(111)面的取向度表示为100×I(111)/ΣI(hkl)。取向度的定义的详细内容如上所述。实施例21的(111)面的取向度在下述表2中表示。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例20、21和比较例4各自的压电薄膜的压电常数d33，f。实施例20、21和比较例4各自的压电常数d33，f在下述表2中表示。
[表2]
(实施例22和23)
在实施例22和23的情况下，第二中间层形成于第一电极层的表面整体，压电薄膜形成于第二中间层的表面整体。实施例22的第二中间层由结晶质的SrRuO3构成。实施例22的第二中间层的厚度为50nm。实施例23的第二中间层由结晶质的LaNiO3构成。实施例23的第二中间层的厚度为50nm。
除了形成第二中间层之外，通过与实施例9同样的方法，制作实施例22和23各自的压电薄膜元件。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例22和23各自的第一电极层的XRD图案。在实施例22和23的任意的情况下，构成第一电极层的Pt的晶体的(002)面均在第一电极层的表面的法线方向上进行取向，Pt的晶体的(200)面均在第一电极层的表面的面内方向上进行取向。
通过与实施例1同样的方法，分析实施例22和23各自的压电薄膜的组成。在实施例22和23的任意的情况下，压电薄膜的组成都与靶材的组成大致一致。实施例22和23各自的压电薄膜的组成(x、y和z各自的值)在下述的表3中表示。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例22和23各自的压电薄膜的XRD图案。实施例22和23的任意的XRD图案均表示压电薄膜由钙钛矿型晶体构成。在实施例22和23的任意的情况下，钙钛矿型晶体的(001)面均在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。在实施例22和23的任意的情况下，包含于压电薄膜的钙钛矿型晶体均为正方晶。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例22和23各自的压电薄膜的压电常数d33，f。实施例22和23各自的压电常数d33，f在下述表3中表示。
[表3]
(实施例24～26)
实施例24的压电薄膜元件的制作过程中，没有形成第一中间层。实施例24的压电薄膜元件的制作过程中，由结晶质的SrRuO3构成的第一电极层直接形成于单晶基板的表面整体。实施例24的第一电极层的厚度为200nm。除了这些事项之外，通过与实施例9同样的方法，制作实施例24的压电薄膜元件。
实施傍25的压电薄膜元件的制作过程中，没有形成第一中间层。实施例25的压电薄膜元件的制作过程中，由结晶质的SrRuO3构成的第一电极层直接形成于单晶基板的表面整体。实施例25的第一电极层的厚度为200nm。除了这些事项之外，通过与实施例20同样的方法，制作实施例25的压电薄膜元件。
实施例26的压电薄膜元件的制作过程中，没有形成第一中间层。实施例26的压电薄膜元件的制作过程中，由结晶质的SrRuO3构成的第一电极层直接形成于单晶基板的表面整体。实施例26的第一电极层的厚度为200nm。除了这些事项之外，通过与实施例21同样的方法，制作实施例26的压电薄膜元件。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例24～26各自的第一电极层的XRD图案。在实施例24～26的任意的情况下，第一电极层的晶面均不在第一电极层的表面的面内方向上进行取向。也就是，在实施例24～26的任意的情况下，均不具有第一电极层的晶体的面内取向性。
通过与实施例1同样的方法，分析实施例24～26各自的压电薄膜的组成。在实施例24～26的任意的情况下，压电薄膜的组成均与靶材的组成大致一致。实施例24～26各自的压电薄膜的组成(x、y和z各自的值)在下述的表4中表示。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例24～26各自的压电薄膜的XRD图案。实施例24～26的任意的XRD图案均表示压电薄膜由钙钛矿型晶体构成。
在实施例24的情况下，钙钛矿型晶体的(001)面在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。实施例24的(001)面的取向度在下述表4中表示。
在实施例25的情况下，钙钛矿型晶体的(110)面在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。实施例25的(110)面的取向度在下述表4中表示。
在实施例26的情况下，钙钛矿型晶体的(111)面在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。实施例26的(111)面的取向度在下述表4中表示。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例24～26各自的压电薄膜的压电常数d33，f。实施例24～26各自的压电常数d33，f在下述表4中表示。
[表4]
(实施例27～29)
在制作实施例27的靶材时，根据作为目标的压电薄膜的组成，调整原料粉末(氧化铋，碳酸钾，氧化钛，氧化镁，氧化镍和氧化铁)的配合比。作为目标的压电薄膜的组成以下述化学式1B表示。下述化学式1B中的x、y、z和γ各自的值为下述表5所示的值。
xBi0.5K0.5TiO3-yBi(MgγNi1－γ)0.5Ti0.5O3-zBiFeO3(1B)
除了压电薄膜的形成中使用的靶材的组成不同之外，通过与实施例1同样的方法，制作实施例27的压电薄膜元件。
在实施例28的情况下，上述化学式1B中的γ为1/3。在实施例29的情况下，上述化学式1B中的γ为0。即，在实施例29的情况下，作为靶材的原料粉末，没有使用氧化镁。除了γ之外，通过与实施例27同样的方法，制作实施例28和29各自的压电薄膜元件。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例27～29各自的第一电极层的XRD图案。在实施例27～29的任意的情况下，构成第一电极层的Pt的晶体的(002)面均在第一电极层的表面的法线方向上进行取向，Pt的晶体的(200)面均在第一电极层的表面的面内方向上进行取向。
通过与实施例1同样的方法，分析实施例27～29各自的压电薄膜的组成。在实施例27～29的任意的情况下，压电薄膜的组成均与靶材的组成大致一致。实施例27～29各自的压电薄膜的组成(x，y，z和γ各自的值)在下述的表5中表示。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例27～29各自的压电薄膜的XRD图案。实施例27～29的任意的XRD图案均表示压电薄膜由钙钛矿型晶体构成。在实施例27～29的任意的情况下，钙钛矿型晶体的(001)面均在压电薄膜的表面的法线方向上进行取向。在实施例27～29的任意的情况下，包含于压电薄膜的钙钛矿型晶体均为正方晶。实施例27～29各自的(001)面的取向度在下述表5中表示。
通过与实施例1同样的方法，测定实施例27～29各自的压电薄膜的压电常数d33，f。实施例27～29各自的压电常数d33，f在下述表5中表示。
[表5]
表5 x y z γ 取向面 取向度[％] d33，f
实施例27 0.250 0.250 0.500 0.500 (001)面 99 100
实施例28 0.250 0.250 0.500 1/3 (001)面 99 96
实施例29 0.250 0.250 0.500 0.000 (001)面 99 89
[产业上的可利用性]
本发明的压电薄膜可应用于例如压电致动器和压电传感器。

Claims (23)

1.一种压电薄膜，其包含金属氧化物，该压电薄膜的特征在于：
所述金属氧化物含有铋、钾、钛、铁和元素M，
所述元素M为镁和镍中的至少一种，
所述金属氧化物由下述化学式1表示，
x（BiαK1－α）TiO3－yBi（MβTi1－β）O3－zBiFeO3 （1）
所述化学式1中的x、y和z分别为正实数，
x＋y＋z为1，
所述化学式1中的α大于0且小于1，
所述化学式1中的β大于0且小于1，
所述化学式1中的M表示为MgγNi1－γ，
γ为0以上1以下，
至少一部分所述金属氧化物为具有钙钛矿结构的晶体，
至少一部分所述晶体为正方晶，
所述正方晶的（001）面在所述压电薄膜的表面的法线方向上取向，
所述正方晶的（001）面的取向度表示为100×I（001）/ΣI（hkl），
所述（001）面的所述取向度为70％以上且100％以下，
所述ΣI（hkl）为I（001）＋I（110）＋I（111），
所述I（001）是所述正方晶的源自（001）面的衍射X射线的峰值的最大值，
所述I（110）是所述正方晶的源自（110）面的衍射X射线的峰值的最大值，
所述I（111）是所述正方晶的源自（111）面的衍射X射线的峰值的最大值，
所述正方晶的源自（001）面的所述衍射X射线的峰值通过所述压电薄膜的表面的不共平面测定进行测定，
所述正方晶的源自（110）面的所述衍射X射线的峰值通过所述压电薄膜的表面的不共平面测定进行测定，
所述正方晶的源自（111）面的所述衍射X射线的峰值通过所述压电薄膜的表面的不共平面测定进行测定。
2.根据权利要求1所述的压电薄膜，其特征在于：
三维坐标系由X轴、Y轴和Z轴构成，
所述坐标系中任意的坐标表示为（X，Y，Z），
所述坐标系中的坐标（x，y，z）表示所述化学式1中的x、y和z，
所述坐标系中的坐标A为（0.300，0.100，0.600），
所述坐标系中的坐标B为（0.450，0.250，0.300），
所述坐标系中的坐标C为（0.200，0.500，0.300），
所述坐标系中的坐标D为（0.100，0.300，0.600），
所述（x，y，z）位于顶点为所述坐标A、所述坐标B、所述坐标C和所述坐标D的四边形以内。
3.根据权利要求2所述的压电薄膜，其特征在于：
所述坐标系中的坐标E为（0.400，0.200，0.400），
所述坐标系中的坐标F为（0.200，0.400，0.400），
所述坐标（x，y，z）位于顶点为所述坐标A、所述坐标E、所述坐标F和所述坐标D的四边形以内。
4.根据权利要求1所述的压电薄膜，其特征在于：
所述压电薄膜为外延膜。
5.根据权利要求1所述的压电薄膜，其特征在于：
所述压电薄膜为铁电性薄膜。
6.一种压电薄膜，其包含金属氧化物，该压电薄膜的特征在于：
所述金属氧化物含有铋、钾、钛、铁和元素M，
所述元素M为镁和镍中的至少一种，
所述金属氧化物由下述化学式1表示，
x（BiαK1－α）TiO3－yBi（MβTi1－β）O3－zBiFeO3 （1）
所述化学式1中的x、y和z分别为正实数，
x＋y＋z为1，
所述化学式1中的α大于0且小于1，
所述化学式1中的β大于0且小于1，
所述化学式1中的M表示为MgγNi1－γ，
γ为0以上1以下，
至少一部分所述金属氧化物为具有钙钛矿结构的晶体，
至少一部分所述晶体为正方晶，
所述正方晶的（001）面在所述压电薄膜的表面的法线方向上取向，
所述正方晶的（001）面的取向度表示为100×S（001）/ΣS（hkl），
所述（001）面的所述取向度为70％以上且100％以下，
所述ΣS（hkl）为S（001）＋S（110）＋S（111），
所述S（001）是所述正方晶的源自（001）面的衍射X射线的峰值的面积，
所述S（110）是所述正方晶的源自（110）面的衍射X射线的峰值的面积，
所述S（111）是所述正方晶的源自（111）面的衍射X射线的峰值的面积，
所述正方晶的源自（001）面的衍射X射线的峰值通过所述压电薄膜的表面的不共平面测定进行测定，
所述正方晶的源自（110）面的衍射X射线的峰值通过所述压电薄膜的表面的不共平面测定进行测定，
所述正方晶的源自（111）面的衍射X射线的峰值通过所述压电薄膜的表面的不共平面测定进行测定。
7.根据权利要求6所述的压电薄膜，其特征在于：
三维坐标系由X轴、Y轴和Z轴构成，
所述坐标系中任意的坐标表示为（X，Y，Z），
所述坐标系中的坐标（x，y，z）表示所述化学式1中的x、y和z，
所述坐标系中的坐标A为（0.300，0.100，0.600），
所述坐标系中的坐标B为（0.450，0.250，0.300），
所述坐标系中的坐标C为（0.200，0.500，0.300），
所述坐标系中的坐标D为（0.100，0.300，0.600），
所述（x，y，z）位于顶点为所述坐标A、所述坐标B、所述坐标C和所述坐标D的四边形以内。
8.根据权利要求7所述的压电薄膜，其特征在于：
所述坐标系中的坐标E为（0.400，0.200，0.400），
所述坐标系中的坐标F为（0.200，0.400，0.400），
所述坐标（x，y，z）位于顶点为所述坐标A、所述坐标E、所述坐标F和所述坐标D的四边形以内。
9.根据权利要求6所述的压电薄膜，其特征在于：
所述压电薄膜为外延膜。
10.根据权利要求6所述的压电薄膜，其特征在于：
所述压电薄膜为铁电性薄膜。
11.一种压电薄膜元件，其特征在于：
其具有权利要求1～10中任一项所述的压电薄膜。
12.根据权利要求11所述的压电薄膜元件，其特征在于，具有：
单晶基板、和
与所述单晶基板重叠的所述压电薄膜。
13.根据权利要求11所述的压电薄膜元件，其特征在于，具有：
单晶基板、
与所述单晶基板重叠的电极层、和
与所述电极层重叠的所述压电薄膜。
14.根据权利要求11所述的压电薄膜元件，其特征在于，具有：
电极层、和
与所述电极层重叠的所述压电薄膜。
15.根据权利要求13所述的压电薄膜元件，其特征在于：
还具有至少一个中间层，
所述中间层配置于所述单晶基板与所述电极层之间。
16.根据权利要求14所述的压电薄膜元件，其特征在于：
还具有至少一个中间层，
所述中间层配置于所述电极层与所述压电薄膜之间。
17.根据权利要求14所述的压电薄膜元件，其特征在于：
所述电极层含有铂的晶体，
所述铂的晶体的（002）面在所述电极层的表面的法线方向上取向，
所述铂的晶体的（200）面在所述电极层的表面的面内方向上取向。
18.一种压电致动器，其特征在于：
具有权利要求11～17中任一项所述的压电薄膜元件。
19.一种压电传感器，其特征在于：
具有权利要求11～17中任一项所述的压电薄膜元件。
20.一种压电转换器，其特征在于：
具有权利要求11～17中任一项所述的压电薄膜元件。
21.一种硬盘驱动器，其特征在于：
具有磁头悬臂组件，
所述磁头悬臂组件具有磁头组件，
所述磁头组件具有权利要求18所述的压电致动器。
22.一种打印头，其特征在于：
具有权利要求18所述的压电致动器。
23.一种喷墨打印装置，其特征在于：
具有权利要求22所述的打印头。
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