CN112640137B - 介电薄膜、介电薄膜元件、压电致动器、和压电传感器 - Google Patents

介电薄膜、介电薄膜元件、压电致动器、和压电传感器 Download PDF

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Abstract

介电薄膜包含金属氧化物，金属氧化物包含铋、钠、钡和钛，金属氧化物的至少一部分为具有钙钛矿结构的正方晶，至少一部分的正方晶的(100)面在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向。

Description

介电薄膜、介电薄膜元件、压电致动器、和压电传感器
技术领域
本发明涉及介电薄膜、介电薄膜元件、压电致动器、压电传感器、磁头组件、磁头悬臂组件、硬盘驱动器、打印头和喷墨打印装置。
背景技术
作为电介质的一种的压电体根据各种目的加工成各种压电元件。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。另外，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。
目前，作为压电体，大多使用作为钙钛矿型的铁电体的锆钛酸铅(PbTiO3－PbZrO3；PZT)。但是，PZT包含伤害人体和环境的铅，因此，作为PZT的代替品，进行了无铅(lead－free)的压电体的研究开发。作为无铅的压电体的一例，已知有具有铁电性的[(Na，Bi)1－ xBax]TiO3。例如，下述的专利文献1所记载的压电体由仅(001)面具有取向性的[(Na，Bi)1－ xBax]TiO3的结晶构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015－179803号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在如上述专利文献1所记载的那样仅[(Na，Bi)1－xBax]TiO3的(001)面取向的情况下，由[(Na，Bi)1－xBax]TiO3的结晶构成的薄膜不具有充分的介电性。
本发明的目的在于提供介电性优异的介电薄膜、具有该介电薄膜的介电薄膜元件、以及使用了该介电薄膜元件的压电致动器、压电传感器、磁头组件、磁头悬臂组件、硬盘驱动器、打印头和喷墨打印装置。
用于解决课题的方法
本发明的一个方面的介电薄膜是包含金属氧化物的介电薄膜，其中，金属氧化物包含铋、钠、钡和钛，金属氧化物的至少一部分为具有钙钛矿结构的正方晶，至少一部分的正方晶的(100)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向。
所述的金属氧化物可以以下述化学式1表示。
(1－x)(Bi0.5Na0.5)TiO3－xBaTiO3 (1)
[所述化学式1中，x满足0.15≤x≤0.40。]
可以在对介电薄膜施加与介电薄膜的表面的法线方向平行的电场时，正方晶的(001)面的衍射X射线的峰面积不增加。
可以在对介电薄膜施加与介电薄膜的表面的法线方向平行的电场时，正方晶的(001)面的衍射X射线的峰面积增加。
可以在对介电薄膜施加与介电薄膜的表面的法线方向平行的电场的状态下，一部分的正方晶的(100)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向，另一部分的正方晶的(001)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向。
本发明的一个方面的介电薄膜元件具有上述的介电薄膜。
本发明的一个方面的介电薄膜元件可以具有单晶基板和与单晶基板重叠的介电薄膜，至少一部分的正方晶的(100)面在单晶基板的表面的法线方向上取向。
本发明的一个方面的介电薄膜元件可以具有：单晶基板；与单晶基板重叠的第一电极层；隔着第一电极层与单晶基板重叠的介电薄膜；和与介电薄膜重叠的第二电极层。
本发明的一个方面的介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第一电极层之间、第一电极层与介电薄膜之间、或介电薄膜与第二电极层之间。
本发明的一个方面的介电薄膜元件可以具有：单晶基板；与单晶基板重叠的第一电极层；与第一电极层重叠的第一晶质层；与第一晶质层重叠的第二晶质层；与第二晶质层重叠的介电薄膜；和与介电薄膜重叠的第二电极层，第一晶质层可以包含具有钙钛矿结构的LaNiO3的结晶，第二晶质层可以包含具有钙钛矿结构的SrRuO3的结晶，第一晶质层的(100)面可以在单晶基板的表面的法线方向上取向，第二晶质层的(100)面可以在单晶基板的表面的法线方向上取向。
本发明的一个方面的介电薄膜元件可以具有：单晶基板；与单晶基板重叠的第一电极层；与第一电极层重叠的第一晶质层；与第一晶质层重叠的第二晶质层；与第二晶质层重叠的介电薄膜；和与介电薄膜重叠的第二电极层，第一晶质层可以包含具有钙钛矿结构的LaNiO3的结晶，第二晶质层可以包含具有钙钛矿结构的(La,Sr)CoO3的结晶，第一晶质层的(100)面可以在单晶基板的表面的法线方向上取向，第二晶质层的(100)面可以在单晶基板的表面的法线方向上取向。
本发明的一个方面的介电薄膜元件可以是压电元件。
本发明的一个方面的压电致动器具有上述的介电薄膜元件(压电元件)。
本发明的一个方面的压电传感器具有上述的介电薄膜元件(压电元件)。
本发明的一个方面的磁头组件具有上述的压电致动器。
本发明的一个方面的磁头悬臂组件具有上述的磁头组件。
本发明的一个方面的硬盘驱动器具有上述的磁头悬臂组件。
本发明的一个方面的打印头具有上述的压电致动器。
本发明的一个方面的喷墨打印装置具有上述的打印头。
发明的效果
根据本发明，可以提供介电性优异的介电薄膜、具有该介电薄膜的介电薄膜元件、以及使用了该介电薄膜元件的压电致动器、压电传感器、磁头组件、磁头悬臂组件、硬盘驱动器、打印头和喷墨打印装置。
附图说明
图1中的(a)是本发明的一个实施方式的介电薄膜元件的示意性的剖视图，图1中的(b)包含图1中的(a)所示的压电薄膜元件的立体分解图和钙钛矿结构的晶胞(第一晶胞tc1和第二晶胞tc2)的立体图。(图1中的(b)中，省略第一电极层和第二电极层。)
图2是本发明的一个实施方式的磁头组件的示意图。
图3是本发明的一个实施方式的压电致动器的示意图。
图4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5是沿着图4所示的陀螺仪传感器的A－A线的向视剖视图。
图6是本发明的一个实施方式的压力传感器的示意图。
图7是本发明的一个实施方式的脉搏传感器的示意图。
图8是本发明的一个实施方式的硬盘驱动器的示意图。
图9是本发明的一个实施方式的喷墨打印装置的示意图。
图10是通过实验1测得的本发明的实施例1的X射线衍射图案。
图11是通过实验2测得的本发明的实施例1的X射线衍射图案。
图12是通过实验3测得的本发明的实施例1的X射线衍射图案。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明本发明的优选的一个实施方式。附图中，对相同或同等的要素标注相同的符号。图1中的(a)和图1中的(b)所示的X、Y和Z是指相互正交的3个坐标轴。本发明不限定于下述实施方式。
(介电薄膜和介电薄膜元件)
如图1中的(a)所示，本实施方式的介电薄膜元件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)；隔着第一电极层2与单晶基板1间接地重叠的介电薄膜3；和与介电薄膜3重叠的第二电极层4(上部电极层)。即，介电薄膜元件10中，在一对电极层之间夹有介电薄膜3。介电薄膜元件10的变形例也可以不具有第二电极层4。例如，不具有第二电极层的介电薄膜元件也可以在作为产品提供给电子设备的制造商之后，在电子设备的组装、制造的过程中，对介电薄膜元件附加第二电极层。介电薄膜元件10例如可以是薄膜电容器。
介电薄膜3包含金属氧化物。金属氧化物包含铋、钠、钡和钛。介电薄膜3可以包含金属氧化物作为主成分。主成分是指相对于构成介电薄膜3的全部成分的比例为99％摩尔以上100摩尔％以下的成分。金属氧化物的一部分或全部为晶质，具有钙钛矿结构。在常温下，金属氧化物的至少一部分为具有钙钛矿结构的正方晶。在常温下，也可以全部金属氧化物是具有钙钛矿结构的正方晶。
介电薄膜3所包含的上述的金属氧化物可以以下述化学式1表示。以下，根据情况，下述化学式1所示的氧化物记为“BNT－BT”。
(1－x)(Bi0.5Na0.5)TiO3－xBaTiO3 (1)
上述化学式1中，x可以满足0＜x＜1、0.15≤x≤0.70、0.15≤x≤0.600、0.15≤x＜0.50、或0.15≤x≤0.40。
上述化学式1可以与下述化学式1a等价。
(Bi0.5Na0.5)1－xBaxTiO3 (1a)
上述化学式1a中，x可以满足0＜x＜1、0.15≤x≤0.70、0.15≤x≤0.600、0.15≤x＜0.50、或0.15≤x≤0.40。
在介电薄膜3包含上述化学式1所示的氧化物的情况下，容易提高介电薄膜3的介电和压电特性。在x为0.15≤x≤0.70的范围内的情况下，更容易提高介电薄膜3的介电和压电特性。特别是在x为0.15≤x≤0.40的范围内的情况下，上述的金属氧化物的正方晶的(100)面容易在介电薄膜3的表面的法线方向上取向，更容易提高介电薄膜3的介电和压电特性。介电薄膜3也可以仅由上述化学式1所示的氧化物构成。介电薄膜3也可以仅由上述化学式1所示的氧化物的单晶构成。介电薄膜3也可以仅由上述化学式1所示的氧化物的多晶构成。只要不损坏上述化学式1所示的氧化物的正方晶的钙钛矿结构，介电薄膜3也可以包含上述化学式1所示的氧化物以外的成分。即，介电薄膜3也可以除了Bi、Na、Ba、Ti和O之外还包含其它的元素。其中，介电薄膜3最好不含损害人体和环境的铅。
图1中的(b)所示的第一晶胞tc1是构成上述的金属氧化物的正方晶的晶胞。第一晶胞tc1为长方体。在第一晶胞tc1所具有的8个顶点各自具有选自Bi、Na和Ba中的一种元素。为了便于说明，图1中的(b)中，省略第一晶胞tc1的体心的Ti，也省略第一晶胞tc1的6个面心的O。由第一晶胞tc1构成的钙钛矿结构的(100)面的面间隔以a表示。a可以换称为第一晶胞tc1的a轴方向的晶格常数。由第一晶胞tc1构成的钙钛矿结构的(001)面的面间隔以c表示。c可以换称为第一晶胞tc1的c轴方向的晶格常数。c/a意味着钙钛矿结构的变形(各向异性)的程度。具有钙钛矿结构的正方晶的c/a大于1。具有c/a越大，则介电薄膜3的介电性越优异的趋势。另外，具有c/a越大，则介电薄膜3的压电性越优异的趋势，介电薄膜3的压电常数d33容易增加。
如第一晶胞tc1表示，至少一部分的正方晶的(100)面在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向。换而言之，也可以至少一部分的正方晶的[100](晶体取向)与介电薄膜3的表面的法线方向dn大致平行。也可以全部的正方晶的(100)面在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向。介电薄膜3的表面是介电薄膜3的表面整体中除介电薄膜3的端面之外的面。例如，介电薄膜3的表面是介电薄膜3的表面整体中与图1的(b)中的XY面平行的面。介电薄膜3的表面也可以是面向单晶基板1的表面的面。介电薄膜3的表面的法线方向dn也可以换称为介电薄膜3的厚度方向(Z轴方向)。第一晶胞tc1的[100]也可以换称为介电薄膜3的自发极化方向。
通过使至少一部分的正方晶的(100)面在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向，介电薄膜3能够具有优异的介电性。换而言之，通过使至少一部分的正方晶的[100]与介电薄膜3的表面的法线方向dn大致平行，介电薄膜3能够具有高的相对介电常数。具有本实施方式的介电薄膜3的介电损耗(tanδ)小于包含BNT－BT的现有的介电薄膜的介电损耗的趋势。具有本实施方式的介电薄膜3的电阻率高于包含BNT－BT的现有的介电薄膜的电阻率的趋势。
也可以至少一部分的正方晶的(100)面在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。换而言之，也可以至少一部分的正方晶的[100](晶体取向)与单晶基板1的表面的法线方向DN大致平行。也可以全部的正方晶的(100)面在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。单晶基板1的表面是单晶基板1的表面整体中除单晶基板1的端面之外的面。例如，单晶基板1的表面是单晶基板1的表面整体中与图1的(b)中的XY面平行的面。单晶基板1的表面也可以是面向介电薄膜3的表面的面。单晶基板1的表面的法线方向DN可以换称为单晶基板1的厚度方向(Z轴方向)。
以下，源自在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向的(100)面的衍射X射线的峰面积记为“A(100)”。另一方面，源自在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向的(001)面的衍射X射线的峰面积记为“A(001)”。
在对介电薄膜3施加与介电薄膜3的表面的法线方向dn平行的电场时，A(001)可以增加。换而言之，在对介电薄膜3施加与介电薄膜3的表面的法线方向dn平行的电场的状态下，一部分的正方晶的(100)面可以在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向，另一部分的正方晶的(001)面可以在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向。随着对介电薄膜3施加的电场强度的增加，A(100)可以减少，且A(001)可以增加。随着对介电薄膜3施加的电场强度的减少，A(100)可以增加，且A(001)可以减少。在对介电薄膜3施加电压时，介电薄膜3的表面和背面之间的电场强度例如可以为5～50kV/mm。
(100)面在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向的正方晶由图1中的(b)所示的第一晶胞tc1构成。以下，由第一晶胞tc1构成的正方晶记为“a畴”(a－domain)。即，a畴是(100)面在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向的正方晶。另一方面，(001)面在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向的正方晶由图1中的(b)所示的第二晶胞tc2构成。第二晶胞tc2晶体取向与由第一晶胞tc1构成的晶体取向不同。第二晶胞tc2的[001](晶体取向)与第一晶胞tc1的[100]大致平行。除了晶体取向的不同之外，第二晶胞tc2可以与第一晶胞tc1相同。以下，由第二晶胞tc2构成的正方晶记为“c畴”(c－domain)。c畴是(001)面在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向的正方晶。c畴的[001](晶体取向)与a畴的[100]大致平行。
伴随电场的施加的峰面积A(001)的增加是指a畴的至少一部分变化成c畴。即，在对介电薄膜3施加上述的电场的状态下，介电薄膜3可以包含晶体取向不同的a畴和c畴双方。以下，伴随电场的施加的从a畴向c畴的变化记为“畴反转效应”(domain switchingeffect)。以下，包含a畴和c畴双方的介电薄膜3的结构记为“多畴结构”(multi domainstructure)。电场中能够具有多畴结构的介电薄膜3记为“多畴膜”。介电薄膜3通过电场的施加成为多畴膜之后，也可以由于电场的消失，多畴膜恢复成介电薄膜3。即，介电薄膜3也可以可逆地变化为多畴膜。
对介电薄膜3施加与介电薄膜3的表面的法线方向dn平行的电场时，正方晶的(001)面的衍射X射线的峰面积也可以不增加。即，介电薄膜3也可以不是多畴薄膜。不是多畴薄膜的介电薄膜3记为“非多畴膜”。
有时多畴膜在压电性上比非多畴膜优异。换而言之，有时多畴膜的压电常数d33大于非多畴膜的压电常数d33。有时多畴膜的－e31，f(其它的压电常数)也大于非多畴膜的－e31，f。另外，具有多畴膜的介电损耗(tanδ)小于非多畴膜的介电损耗的趋势。另一方面，非多畴膜的相对介电常数高于多畴膜的相对介电常数。非多畴膜也可以不具有压电性。
对介电薄膜3施加与介电薄膜3的表面的法线方向dn平行的电场时，以下述数式A定义的Vc可以为10～70％。Vc可以设为c畴的体积相对于a畴和c畴的体积的合计的比例。通过使Vc为上述范围，多畴膜的压电常数d33容易增加，多畴膜的介电损耗容易减少。
Vc＝100×A(001)/(A(100)+A(001))(A)
介电薄膜3的一部分的组成也可以从上述化学式1所示的BNT－BT的组成偏离。在具有钙钛矿结构的氧化物的组成以ABO3表示的情况下，介电薄膜3的一部分中，占据B位点的Ti的一部分也可以用Bi、Na和Ba中的任一元素置换。在介电薄膜3的一部分中，可以产生氧缺陷。例如，介电薄膜3的一部分的组成只要不损坏钙钛矿结构，可以以下述化学式2表示。
(Bi0.5±δ1Na0.5±δ2)1－xBaxTiO3±δ3 (2)
上述化学式2中，x可以满足0＜x＜1、0.15≤x≤0.70、0.15≤x≤0.600、0.15≤x＜0.50或0.15≤x≤0.40。δ1可以满足0.5±δ1≥0。δ2可以满足0.5±δ2≥0。δ3可以满足3±δ3≥0。δ1、δ2和δ3分别大于0且为1.0以下。δ1、δ2和δ3例如可以根据通过放射光X射线衍射测定的A位点离子和B位点离子各自的电子状态算出。
介电薄膜3的厚度例如可以为10nm～10μm左右。介电薄膜3的面积例如可以为1μm2～500mm2。单晶基板1、第一电极层2、第二电极层4各自的面积可以与介电薄膜3的面积相同。
单晶基板1例如可以是由Si的单晶构成的基板、或由GaAs等的化合物半导体的单晶构成的基板。单晶基板1也可以是由MgO等的氧化物的单晶构成的基板。单晶基板1也可以是由KTaO3等的钙钛矿型氧化物的单晶构成的基板。单晶基板1的厚度例如可以为10～1000μm。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，也可以没有第一电极层2。即，在单晶基板1具有导电性的情况下，介电薄膜3也可以与单晶基板1直接重叠。
单晶基板1的晶体取向也可以与单晶基板1的表面的法线方向DN相同。即，单晶基板1的表面可以是单晶基板1的结晶面。单晶基板1可以是单轴取向基板。例如选自(100)面、(001)面、(110)面、(101)面和(111)面中的至少一个单晶基板1的结晶面可以是单晶基板1的表面。即，选自[100]、[001]、[110]、[101]和[111]中的至少一个单晶基板1的晶体取向可以与单晶基板1的表面的法线方向DN平行。
第一电极层2可以由例如选自Pt(铂)、Pd(钯)、Rh(铑)、Au(金)、Ru(钌)、Ir(铱)、Mo(钼)、Ti(钛)、Ta(钽)和Ni(镍)中的至少一种金属构成。第一电极层2可以由例如选自LaNiO3、SrRuO3和(La,Sr)CoO3中的至少一种导电性金属氧化物构成。其结果，介电薄膜3所含的正方晶的(100)面容易在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向。第一电极层2可以为晶质。第一电极层2的表面的晶体取向可以与介电薄膜3所含的正方晶的[100]大致平行。其结果，介电薄膜3所含的正方晶的(100)面容易在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向。第一电极层2的[100](晶体取向)可以与介电薄膜3所含的正方晶的[100]大致平行。其结果，介电薄膜3所含的正方晶的(100)面容易在介电薄膜3的表面的法线方向dn上取向。第一电极层2的表面的晶体取向可以在单晶基板1的法线方向DN上取向。单晶基板1的表面的晶体取向和第一电极层2的结晶结构的晶面取向双方可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。在法线方向DN上取向的第一电极层2的晶体取向可以与在法线方向DN上取向的单晶基板1的晶体取向相同。第一电极层2的厚度例如可以为1nm～1.0μm。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。印刷法、旋涂法、或溶胶凝胶法中，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。
介电薄膜3例如可以通过以下的方法形成。
介电薄膜3的形成中使用BNT－BT靶材。BNT－BT靶材可以是由上述化学式1所示的氧化物构成的靶材。在后述的气相生长法中，BNT－BT靶材中的铋和钠比其它的元素容易挥发。因此，BNT－BT靶材中的铋的摩尔比可以设定为比介电薄膜3中的铋的摩尔比高的值，BNT－BT靶材中的钠的摩尔比也可以设定为比介电薄膜3中的钠的摩尔比高的值。BNT－BT靶材的制作方法如下所述。
作为初始原料，例如准备氧化铋、碳酸钠、氧化钛和碳酸钡的原料粉末。将这些初始原料以100℃以上充分干燥后，以Bi的摩尔数、Na的摩尔数、Ti的摩尔数和Ba的摩尔数成为成膜后的组成分析中由上述化学式1限定的范围内的方式，称重各初始原料。作为初始原料，也可以使用碳酸盐或草酸盐等那样通过烧制而成为氧化物的物质代替上述的氧化物。
将称好的初始原料使用例如球磨机等在有机溶剂或水中充分混合5～20小时。将混合后的初始原料充分干燥之后，利用冲压机成型。将成型的初始原料以750～900℃预烧1～3小时左右。接着，将该预烧物使用球磨机等在有机溶剂或水中粉碎5～30小时。将粉碎后的预烧物再次干燥，添加粘合剂溶液进行造粒，得到预烧物的粉。对该粉进行冲压成型，得到块状的成型体。
将块状的成型体以400～800℃加热2～4小时左右，使粘合剂挥发。接着，将成型体以800～1100℃烧制2小时～4小时左右。该主烧制时的成型体的升温速度和降温速度例如只要调整成50～300℃/时间左右即可。
通过以上的工序，得到BNT－BT靶材。BNT－BT靶材所含的BNT－BT的晶粒的平均粒径例如可以为1～20μm左右。
只要通过使用了上述BNT－BT靶材的气相生长法形成介电薄膜3即可。气相生长法中，在真空气氛下，使构成BNT－BT靶材的元素蒸发。使蒸发的元素附着、沉积于缓冲层(中间层)、第一电极层2、或单晶基板1的任一表面，由此使介电薄膜3生长。气相生长法例如只要是溅射法、电子束蒸镀法、化学蒸镀法(Chemical Vapor Deposition)法或脉冲激光沉积(Pulsed-laser deposition)法即可。以下，脉冲激光堆积法记为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膜，不易发生偏析等。根据气相生长法的种类不同，激发源不同。溅射法的激发源为激光(例如，准分子激光)。当对BNT－BT靶材照射这些激发源时，构成BNT－BT靶材的元素蒸发。
上述的气相生长法中，PLD法在以下的方面比较优异。PLD法中，能够利用脉冲激光使构成BNT－BT靶材的各元素一瞬间均匀地等离子化。因此，容易形成具有与BNT－BT靶材大致相同的组成的介电薄膜3。另外，PLD法中，通过改变激光的脉冲数(重复频率)，容易地控制介电薄膜3的厚度。
介电薄膜3也可以通过外延生长来形成。通过外延生长，容易形成(100)面的取向性优异的介电薄膜3。在通过PLD法形成介电薄膜3的情况下，容易通过外延生长形成介电薄膜3。
PLD法中，一边加热真空腔室内的单晶基板1和第一电极层2，一边形成介电薄膜3。单晶基板1和第一电极层2的温度(成膜温度)例如只要为300～800℃、500～700℃、或500～600℃即可。成膜温度越高，越改善形成介电薄膜3的表面的清洁度，介电薄膜3的结晶性变高。其结果，介电薄膜3所含的正方晶的(100)面的取向度容易变高。在成膜温度过高的情况下，Bi或Na容易从介电薄膜3脱离，难以控制介电薄膜3的组成。
PLD法中，真空腔室内的氧分压例如大于10mTorr且低于400mTorr，也可以为15～300mTorr、或20～200mTorr。换而言之，真空腔室内的氧分压例如大于1Pa且低于53Pa，也可以为2～40Pa、或3～30Pa。通过使氧分压维持在上述范围内，容易将沉积于缓冲层、第一电极层2或单晶基板1的任一表面的Bi、Na和Ti充分氧化。在氧分压过高的情况下，介电薄膜3的生长速度和取向度容易降低。
PLD法中所控制的上述以外的参数例如为激光振荡频率、以及基板、靶材间的距离等。通过这些参数的控制，容易得到介电薄膜3的期望的压电特性。例如，在激光振荡频率为10Hz以下的情况下，介电薄膜3的晶面取向的取向度容易变高。
可以在通过上述方法使介电薄膜3生长后，进行介电薄膜3的退火处理(加热处理)。退火处理中的介电薄膜3的温度(退火温度)例如可以为300～1000℃、600～1000℃、或850～1000℃。具有通过在介电薄膜3的生长后进行退火处理，进一步提高介电薄膜3的介电和压电性的趋势。特别是通过以850～1000℃进行退火处理，容易提高介电薄膜3的介电和压电性。但是，退火处理不是必须的。
第二电极层4可以由例如选自Pt、Pd、Rh、Au、Ru、Ir、Mo、Ti、Ta和Ni中的至少一种金属构成。第二电极层4可以由例如选自LaNiO3、SrRuO3和(La,Sr)CoO3中的至少一种导电性金属氧化物构成。第二电极层4可以为晶质。第二电极层4的表面的晶体取向可以与单晶基板1的表面的晶体取向大致平行。第二电极层4的表面的晶体取向可以与介电薄膜3所含的正方晶的[100]大致平行。第二电极层4的厚度例如可以为1nm～1.0μm。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。印刷法、旋涂法、或溶胶凝胶法中，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。
介电薄膜元件10可以还具有至少一个中间层。中间层可以换称为缓冲层。如以下所说明的那样，中间层也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与介电薄膜3之间、或介电薄膜3与第二电极层4之间。
可以在单晶基板1与第一电极层2之间夹设中间层(基板侧中间层)。即，基板侧中间层可以与单晶基板1的表面直接重叠。构成基板侧中间层的物质可以例如为选自Ti、Cr、TiO2、SiO2、Y2O3和ZrO2中的至少一种。在单晶基板1为Si的单晶的情况下，第一电极层2容易经由基板侧中间层与单晶基板1密合。基板侧中间层可以为晶质。基板侧中间层的表面的晶体取向可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。单晶基板1的表面的晶体取向和基板侧中间层的表面的晶体取向双方可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。在法线方向DN上取向的基板侧中间层的晶体取向可以与在法线方向DN上取向的单晶基板1的晶体取向相同。
如图1中的(a)所示，基板侧中间层可以由与单晶基板1重叠的第一密合层5a和与第一密合层5a重叠的第二密合层5b构成。第一密合层5a例如可以由SiO2的结晶构成。第二密合层5b例如可以由TiO2的结晶构成。
可以在第一电极层2与介电薄膜3之间夹设第一中间层(缓冲层)。构成第一中间层的物质可以为例如选自LaNiO3、SrRuO3及(La,Sr)CoO3构成的组的至少一种。第一中间层可以为晶质。第一中间层的表面的晶体取向可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。单晶基板1的表面的晶体取向和第一中间层的表面的晶体取向双方可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。在法线方向DN上取向的第一中间层的晶体取向可以与在法线方向DN上取向的单晶基板1的晶体取向相同。
如下所述，第一中间层也可以由两个以上的层构成。
例如如图1中的(a)所示，第一中间层可以由第一晶质层6a和第二晶质层6b构成。即，介电薄膜元件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、与第一电极层2重叠的第一晶质层6a、与第一晶质层6a重叠的第二晶质层6b、与第二晶质层6b重叠的介电薄膜3、和与介电薄膜3重叠的第二电极层4。
第一晶质层6a可以包含具有钙钛矿结构的LaNiO3的结晶，且第二晶质层6b可以包含具有钙钛矿结构的SrRuO3的结晶，且第一晶质层6a的(100)面可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向，且第二晶质层6b的(100)面可以在单晶基板1的表面的法线方向上取向。其结果，与第二晶质层6b重叠的介电薄膜3容易成为非多畴膜。
第一晶质层6a可以包含具有钙钛矿结构的LaNiO3的结晶，且第二晶质层6b可以包含具有钙钛矿结构的(La,Sr)CoO3的结晶，且第一晶质层6a的(100)面可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向，且第二晶质层6b的(100)面可以在单晶基板1的表面的法线方向上取向。其结果，与第二晶质层6b重叠的介电薄膜3容易成为多畴膜。
可以在介电薄膜3与第二电极层4之间夹设第二中间层。构成第二中间层的物质可以与构成第一中间层的物质相同。第二中间层可以为晶质。第二中间层的表面的晶体取向可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。单晶基板1的表面的晶体取向和第二中间层的表面的晶体取向双方可以在单晶基板1的表面的法线方向DN上取向。在法线方向DN上取向的第二中间层的晶体取向可以与在法线方向DN上取向的单晶基板1的晶体取向相同。
介电薄膜元件10的表面的至少一部分或整体可以由保护膜包覆。通过保护膜的包覆，例如提高介电薄膜元件10的耐湿性。
本实施方式的介电薄膜3可以是压电薄膜，本实施方式的介电薄膜元件10可以是压电元件。特别是多畴膜适于压电薄膜，具有多畴膜的介电薄膜元件适于压电元件。压电元件的用途各式各样。压电元件例如可以用于压电致动器。压电致动器例如可以用于磁头组件、磁头悬臂组件、或硬盘驱动器。压电致动器例如可以用于打印头或喷墨打印装置。压电元件例如可以用于压电传感器。压电传感器例如可以是陀螺仪传感器、压力传感器、脉搏传感器、或震动传感器。压电薄膜或压电元件例如可以应用于麦克风。介电薄膜或介电薄膜元件可以应用于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems；MEMS)的一部分。
以下，具体地说明介电薄和介电薄膜元件的用途。以下所记载的压电薄膜是指介电薄膜。以下所记载的压电元件是指介电薄膜元件。
(压电致动器)
图2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(flexure)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进行延伸的第一板簧部11c和第二板簧部11d、形成于板簧部11c和板簧部11d之间的开口部11e、与板簧部11c和11d连续并直线延伸的杆主部11f。第一板簧部11c和第二板簧部11d前端变细。杆主部11f也前端变细。
第一和第二压电薄膜元件100隔着规定的间隔，配置于作为挠曲部17的一部分的配线用挠性基板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3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24、与单晶基板24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24具有导电性，也具有作为下部电极层的功能。下部电极层也可以换称为上述的第一电极层。上部电极层也可以换称为上述的第二电极层。
在不提供规定的喷出信号、不在单晶基板24(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。在与没有被提供喷出信号的压电薄膜25相邻的压力室21内，未发生压力变化，不从其喷嘴27喷出墨滴。
另一方面，在提供规定的喷出信号、在单晶基板24(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，从喷嘴27喷出墨滴。
(压电传感器)
图4和图5表示作为压电传感器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测量元件。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摸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来得到。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通过利用蚀刻将上部电极层31加工成规定的电极的形状来得到。
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各自的长边方向限定为Z方向，且将包含臂部120和130的主面的平面限定为XZ平面，来定义XYZ正交坐标系。
当对驱动电极层31a、31b提供驱动信号时，两个臂部120、130以面内振动模式进行激发振荡。面内振动模式是在与两个臂部120、130的主面平行的方向上，两个臂部120、130激发振荡的模式。例如，一个臂部120在－X方向上以速度V1激发振荡时，另一臂部130在+X方向上以速度V2进行激发振荡。
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F。其结果，臂部120、130开始以面外振动模式激发振荡。面外振动模式是在与两个臂部120、130的主面正交的方向上，两个臂部120、130进行激发振荡的模式。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的机械性的应变利用压电薄膜30转换成电信号(检测信号)，从检测电极层31c、31d读取该信号，由此，求得角速度ω。
图6表示作为压电传感器一种的压力传感器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包括共用电极层41、与共用电极层41重叠的压电薄膜42、和与压电薄膜42重叠的独立电极层43。共用电极层41为导电性的单晶基板。共用电极层41和支承体44所包围的空腔45与压力对应。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检测出电压。
图7表示作为压电传感器一种的脉搏传感器600。脉搏传感器600由压电元件50、支承压电元件50的支承体54和电压测定器55构成。压电元件50包括共用电极层51、与共用电极层51重叠的压电薄膜52、和与压电薄膜52重叠的独立电极层53。共用电极层51为导电性的单晶基板。如果使脉搏传感器600的支承体54的背面(没有搭载压电元件50的面)抵接于生物体的动脉上，则由于生物体的脉搏所引起的压力，支承体54和压电元件50弯曲，由电压测定器55检测出电压。
(硬盘驱动器)
图8表示搭载有图2所示的磁头组件的硬盘驱动器700。图8的磁头组件65与图2的磁头组件200相同。
硬盘驱动器700具有框体60、设置于框体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、支承于支承轴的致动器臂部64、和与致动器臂部64连接的磁头组件65。致动器臂部64利用音圈马达63绕支承轴自由旋转。致动器臂部64分成多个臂部，在各臂部分别连接有磁头组件65。即，多个臂部和磁头组件65沿着支承轴叠层。在磁头组件65的前端部，以与硬盘61相对的方式安装有磁头滑块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的较大的移动通过音圈马达63的磁头组件65和致动器臂部64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9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和头驱动单元73。图9的打印头70具有图3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的墨喷出时机和头驱动单元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(自动连续供纸单元)76。自动送纸器76自动地送出记录用纸75，从正面的排出口74排出记录用纸75。
以上，对本发明优选的实施方式进行了说明，但本发明不必限定于上述的实施方式。在不脱离本发明宗旨的范围内能够进行各种本发明的各种变更，这些变更例也包含于本发明。
例如，也可以代替气相生长法，通过溶液法形成介电薄膜3。
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)
准备由Si构成的单晶基板。单晶基板的表面为Si的(100)面。单晶基板为10mm×10mm的正方形。单晶基板的厚度为500μm。
在真空腔室内，在单晶基板的表面整体形成由SiO2的结晶构成的第一密合层。
在真空腔室内，在第一密合层的表面整体形成由TiO2的结晶构成的第二密合层。第二密合层通过溅射法形成。
在真空腔室内，在第二密合层的表面整体形成由Pt的结晶构成的第一电极层。第一电极层通过溅射法形成。第一电极层的表面为Pt的(111)面。
在真空腔室内，在第一电极层的表面整体形成由LaNiO3的结晶构成的第一缓冲层(第一晶质层)。第一缓冲层通过溅射法形成。溅射的靶材使用了LaNiO3。第一缓冲层的形成过程中的单晶基板的温度维持为350℃。向真空腔室内供给的氧气和氩气的流量比为氧∶氩＝3∶1，真空腔室内的气压(总压力)设定为10mTоrr。第一缓冲层的表面为LaNiO3的(100)面。第一缓冲层的厚度为70nm。
将通过上述的方法制作的叠层体在真空腔室内退火。向真空腔室内供给的氧气和氮气的流量比为氧∶氮＝1∶4。退火中，将叠层体以50℃/分钟的升温速度加热至800℃，将叠层体在800℃保持30分钟，接着，将叠层体自然冷却。
在真空腔室内，在第一缓冲层的表面整体形成由La0.5Sr0.5CoO3的结晶构成的第二缓冲层(第二晶质层)。第二缓冲层通过使用了PLD法的外延生长形成。PLD的靶材使用了La0.5Sr0.5CoO3。第二缓冲层的形成过程中的单晶基板的温度维持为675℃。向真空腔室内供给的气体为氧气，真空腔室内的气压(总压力)设定为200mTоrr。第二缓冲层的表面为La0.5Sr0.5CoO3的(100)面。第二缓冲层的厚度为90nm。
在真空腔室内，在第二缓冲层的表面整体形成介电薄膜。介电薄膜通过使用了PLD法的外延生长形成。介电薄膜的形成过程中的单晶基板的温度(成膜温度)维持为675℃。介电薄膜的形成过程中的真空腔室内的氧分压维持为200mTorr。介电薄膜的形成中使用了BNT－BT靶材。在制作BNT－BT靶材时，根据设为目标的介电薄膜的组成，确定BNT－BT靶材的原料粉末(氧化铋、碳酸钠、氧化钛和碳酸钡)的配合比，BNT－BT靶材的组成以下述化学式3表示。下述化学式3中的x的值为0.3。对BNT－BT靶材照射的激光的功率为250mJ。激光的频率为5Hz。介电薄膜的厚度调整为2000nm。
(1－x)(Bi0.7Na0.7)TiO3－xBaTiO3 (3)
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电极层、和隔着第一电极层与单晶基板重叠的介电薄膜的叠层体。通过荧光X射线分析法(XRF法)分析位于叠层体的表面的介电薄膜的组成。分析中使用了Phillips公司制造的装置PW2404。分析的结果确认了实施例1的介电薄膜的组成以下述化学式1表示，下述化学式1中的x的值为0.3。
(1－x)(Bi0.5Na0.5)TiO3－xBaTiO3 (1)
在真空腔室内，在上述叠层体所具有的介电薄膜的表面形成由Pt构成的点状(圆形)的第二电极层。第二电极层的半径为200μm。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为500℃。第二电极层的厚度调整为0.1μm。
通过以上的方法，制作实施例1的介电薄膜元件。介电薄膜元件具有：单晶基板、与单晶基板重叠的第一密合层、与第一密合层重叠的第二密合层、与第二密合层重叠的第一电极层、与第一电极层重叠的第一缓冲层、与第一缓冲层重叠的第二缓冲层、与第二缓冲层重叠的介电薄膜、和与介电薄膜重叠的第二电极层。
＜介电薄膜元件的分析＞
[结晶结构的特定]
测定通过上述的方法形成的介电薄膜的X射线衍射(XRD)图案。测定中使用了Philips公司制造的X射线衍射装置(X′Pert MRD)。在衍射角2θ为10～70°的范围内进行2θ－θ测定。设定测定条件，使得XRD图案中的各峰强度至少比背景强度高3个数量级以上。实施例1的XRD图案表示构成介电薄膜的BNT－BT为具有钙钛矿结构的结晶。
通过面外(Out of plane)测定，求得与介电薄膜的表面垂直的方向上的BNT－BT的晶格常数a。晶格常数a相当于与介电薄膜的表面平行的结晶面的面间隔a。通过面内(InPlane)测定，求得与介电薄膜的表面平行的方向上的BNT－BT的晶格常数c。晶格常数c相当于与介电薄膜的表面垂直的结晶面的面间隔c。通过晶格常数a与晶格常数c的比较，确定BNT－BT的结晶的(100)面和(001)面各自的晶面取向。BNT－BT为室温下具有钙钛矿结构的正方晶，因此，BNT－BT的(100)的面间隔小于BNT－BT的(001)面的面间隔。在实施例1的情况下，与介电薄膜的表面平行的结晶面的面间隔a小于与介电薄膜的表面垂直的结晶面的面间隔c。因此，BNT－BT的结晶为具有钙钛矿结构的正方晶，与介电薄膜的表面平行的结晶面为正方晶的(100)面，与单晶基板的表面垂直的正方晶的结晶面为(001)面。即，具有钙钛矿结构的正方晶的(100)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向。正方晶的(100)面的面间隔a为正方晶的(001)面的面间隔c为/>c/a为1.01。
[多畴结构的确定]
如下所述，实施了实验1～3。
《实验1》
在实验1的情况下，在不对第一电极层与第二电极层之间施加电压的状态下，测定介电薄膜元件的X射线衍射(XRD)图案。测定中使用了Bruker株式会社制造的X射线衍射装置(D8)。在衍射角2θ为10～70°的范围内进行了2θ－θ测定。设定测定条件，使得XRD图案中的各峰强度至少比背景强度高3个数量级以上。通过实验1测得的XRD图案如图10所示。
XRD图案具有衍射角2θ为46.0°的衍射X射线的峰。衍射角2θ为46.0°的衍射X射线源自在介电薄膜的表面的法线方向上取向的正方晶的(100)面。即，构成介电薄膜的正方晶的(100)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向。另一方面，XRD图案不具有衍射角2θ为45.6°的衍射X射线的峰。衍射角2θ为45.6°的衍射X射线应源自在介电薄膜的表面的法线方向上取向的正方晶的(001)面。因此，介电薄膜不包含(001)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向的正方晶。
《实验2》
在实验1之后，实施了以下的实验2。
在实验2的情况下，在对第一电极层与第二电极层之间施加了20V的电压的状态下，测定介电薄膜元件的X射线衍射(XRD)图案。即，在对介电薄膜施加与介电薄膜的表面的法线方向平行的电场的状态下，测定介电薄膜元件的X射线衍射(XRD)图案。通过实验2测得的XRD图案如图11所示。
XRD图案中在衍射角2θ为45～47°的范围具有连续的峰。衍射角2θ为46.0°的衍射X射线源自在介电薄膜的表面的法线方向上取向的正方晶的(100)面。衍射角2θ为45.6°的衍射X射线源自在介电薄膜的表面的法线方向上取向的正方晶的(001)面。即，测得的峰包含源自正方晶的(100)面的衍射X射线的峰和源自正方晶的(001)面的衍射X射线的峰。因此，在对介电薄膜施加有电场的状态下，一部分的正方晶的(100)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向，另一部分的正方晶的(001)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向。即，实施例1的介电薄膜为多畴膜。
以Voigt函数f(100)近似源自正方晶的(100)面的衍射X射线的峰。以另一Voigt函数f(001)近似源自正方晶的(001)面的衍射X射线的峰。进行测得的峰和f(100)和f(001)的拟合。拟合后的f(100)相当于构成测定的峰的(100)面的衍射X射线的峰。根据拟合后的f(100)，算出正方晶的(100)面的衍射X射线的峰面积A(100)。拟合后的f(001)相当于构成测定的峰的(001)面的衍射X射线的峰。根据拟合后的f(001)，算出正方晶的(001)面的衍射X射线的峰面积A(001)。算出以下述数式A定义的Vc。Vc的单位为％。实施例1的Vc在下述表1中表示。
Vc＝100×A(001)/(A(100)+A(001))(A)
比较实验1的XRD图案和实验2的XRD图案。比较的结果确认了源自正方晶的(100)面的衍射X射线的峰的强度由于对介电薄膜施加电场而减少。
以上的实验1和2显示：由于对介电薄膜施加电场，a畴的一部分向c畴变化。即，实施例1的介电薄膜中引起畴反转效应。
《实验3》
在实验2之后，实施了以下的实验3。
实验3中，将施加于第一电极层与第二电极层之间的电压恢复成零。除了在实验2之后实施了实验3之外，实验3的方法与实验1相同。通过实验3测定的XRD图案在图12中表示。实验3中测得的XRD图案的形状与实验1中测定的XRD图案的形状大致相同。即，由于对介电薄膜施加的电场的消失，正方晶的(001)面的衍射X射线的峰消失，正方晶的(100)面的衍射X射线的峰的强度恢复。因此，确认了畴反转效应是可逆的。换而言之，由于对介电薄膜施加的电场的消失，c畴恢复成a畴。
[相对介电常数的计算]
测定介电薄膜元件的容量C。容量C的测定的详情如下所述。
测定装置：Hewlett Packard株式会株式会社制造的Impedance Gain－PhaseAnalyzer 4194A
频率：10kHz
电场：0.1V/μm
基于下述数式B，根据容量C的测定值，算出相对介电常数εr。
实施例1的εr在下述表1中表示。
C＝ε0×εr×(S/d) (B)
数式B中的ε0为真空的介电常数(8.854×10－12Fm－1)。数式B中的S为介电薄膜的表面的面积。S可以换称为与介电薄膜重叠的第一电极层的面积。数式B中的d为介电薄膜的厚度。
[压电常数d33的测定]
使用实施例1的介电薄膜元件，测定介电薄膜的压电常数d33。测定中使用组合了原子间显微镜(AFM)和铁电体评价系统的装置。原子间显微镜为Seiko Instruments株式会株式会社制造的SPA－400，铁电体评价系统为TOYO Corporation制造的FCE。压电常数d33的测定中的交流电场(交流电压)的频率为5Hz。对介电薄膜施加的电压的最大值为20V。d33的单位为pm/V。实施例1的压电常数d33在下述表1中表示。
[压电常数－e31，f的测定]
为了测定介电薄膜的压电常数－e31，f，作为实施例1的介电薄膜元件，制作长方形状的试样(悬臂)。试样的尺寸为宽度3mm×长度15mm。除了尺寸之外，试样与上述的实施例1的介电薄膜元件相同。测定中，使用了自制的评价系统。试样的一端进行固定，试样的另一端为自由端。一边对试样中的介电薄膜施加电压，一边通过激光测定试样的自由端的位移量。接着，根据下述数式C算出压电常数－e31，f。此外，数式C中的Es为单晶基板的杨氏模量。hs为单晶基板的厚度。L为试样(悬臂)的长度。νs为单晶基板的泊松比。δout为基于测定的位移量的输出位移。Vin是对介电薄膜施加的电压。压电常数－e31，f的测定中的交流电场(交流电压)的频率为500Hz。对介电薄膜施加的电压的最大值为20V。－e31，f的单位为C/m2。实施例1的压电常数－e31，f在下述表1中表示。
(实施例2)
如下所述，实施例2的介电薄膜元件在第二缓冲层的组成中与实施例1的介电薄膜元件不同。
在实施例2的情况下，在真空腔室内，在第一缓冲层的表面整体形成由SrRuO3的结晶构成的第二缓冲层(第二晶质层)。第二缓冲层通过使用了PLD法的外延生长形成。PLD的靶材使用了SrRuO3。第二缓冲层的形成过程中的单晶基板的温度维持为500℃。第二缓冲层的表面为SrRuO3的(100)面。第二缓冲层的厚度为50nm。
除了上述的事项之外，通过与实施例1同样的方法，制作实施例2的介电薄膜元件。实施例2的介电薄膜元件也具有：单晶基板、与单晶基板重叠的第一密合层、与第一密合层重叠的第二密合层、与第二密合层重叠的第一电极层、与第一电极层重叠的第一缓冲层、与第一缓冲层重叠的第二缓冲层、与第二缓冲层重叠的介电薄膜、和与介电薄膜重叠的第二电极层。
通过与实施例1同样的方法，分析实施例2的介电薄膜元件。
实施例2的介电薄膜的组成以上述化学式1表示，确认了上述化学式1中的x的值为0.3。实施例2的介电薄膜的XRD图案暗示构成介电薄膜的BNT－BT为具有钙钛矿结构的结晶。
实施例2的BNT－BT的结晶为具有钙钛矿结构的正方晶，与介电薄膜的表面平行的结晶面为正方晶的(100)面，与单晶基板的表面垂直的正方晶的结晶面为(001)面。即，构成实施例2的介电薄膜的正方晶的(100)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向。正方晶的(100)面的面间隔a为正方晶的(001)面的面间隔c为/>c/a为1.01。
实验1～3中，实施例2的XRD图案没有发生变化。因此，实施例2的介电薄膜不是多畴膜。即，实施例2的介电薄膜中没有引起畴反转效应。实施例2的XRD图案不具有衍射角2θ为45.6°的衍射X射线的峰。即，实施例2的介电薄膜不包含(001)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向的正方晶。
实施例2的Vc、εr、d33和－e31，f在下述表1中表示。
(比较例1)
准备由SrTiO3构成的单晶基板。单晶基板的表面为SrTiO3的(001)面。单晶基板为10mm×10mm的正方形。单晶基板的厚度为500μm。
在真空腔室内，在单晶基板的表面整体形成由SrRuO3构成的第一电极层。第一电极层通过溅射法形成。溅射的靶材使用了SrRuO3。第一电极层的形成过程中的单晶基板的温度维持为500℃。第一电极层的形成过程中的真空腔室内的气体分压比为氧∶氩＝3∶7。将第一电极层的形成过程中的真空腔室内的气压维持为60mTorr。第一电极层的厚度调整为0.1μm。
在真空腔室内，在第一电极层的表面整体形成介电薄膜。介电薄膜通过使用了PLD法的外延生长形成。介电薄膜的形成过程中的单晶基板的温度(成膜温度)维持为675℃。介电薄膜的形成过程中的真空腔室内的氧分压维持为200mTorr。介电薄膜的形成中使用了BNT－BT靶材。比较例1的BNT－BT靶材与实施例1的BNT靶材相同。对BNT－BT靶材照射的激光的功率为250mJ。激光的频率为5Hz。介电薄膜的厚度调整为2000nm。
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电极层、和与第一电极层重叠的介电薄膜的叠层体。通过荧光X射线分析法(XRF法)分析位于叠层体的表面的介电薄膜的组成。分析中使用了Phillips公司制造的装置PW2404。分析的结果确认了比较例1的介电薄膜的组成以上述化学式1表示，上述化学式1中的x的值为0.3。
在真空腔室内，在上述叠层体所具有的介电薄膜的表面形成由Pt构成的点状(圆形)的第二电极层。第二电极层的半径为200μm。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为500℃。第二电极层的厚度调整为0.1μm。
通过以上的方法，制作比较例1的介电薄膜元件。比较例1的介电薄膜元件具有单晶基板、与单晶基板重叠的第一电极层、与第一电极层重叠的介电薄膜、和与介电薄膜重叠的第二电极层。
通过与实施例1同样的方法，分析比较例1的介电薄膜元件。
比较例1的介电薄膜的XRD图案暗示了构成介电薄膜的BNT－BT为具有钙钛矿结构的结晶。
比较例1的BNT－BT的结晶为具有钙钛矿结构的正方晶，与介电薄膜的表面平行的结晶面为正方晶的(001)面，与单晶基板的表面垂直的正方晶的结晶面为(100)面。即，构成比较例1的介电薄膜的正方晶的(001)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向。正方晶的(100)面的面间隔a为正方晶的(001)面的面间隔c为/>c/a为1.03。
实验1～3中，比较例1的XRD图案没有发生变化。因此，比较例1的介电薄膜不是多畴膜。即，比较例1的介电薄膜中没有引起畴反转效应。比较例1的XRD图案不具有衍射角2θ为46.0°的衍射X射线的峰。即，比较例1的介电薄膜不包含(100)面在介电薄膜的表面的法线方向上取向的正方晶。
比较例1的Vc、εr和d33在下述表1中表示。
[表1]
表1 x 取向的结晶面 无电场的Vc[％] 电场下的Vc[％] εr[-] d33[pm/V] -e31，f[C/m2]
实施例1 0.30 (100) 0 29 1366 215 19.1
实施例2 0.30 (100) 0 0 1573 190 15.5
比较例1 0.30 (001) 100 100 681 77 -
(实施例3～6和比较例2、3)
实施例3～6和比较例2、3各自的介电薄膜的形成中使用的BNT-BT靶材的组成以上述化学式3表示。在实施例3～6和比较例2、3各自的情况下，化学式3的x的值调整为下述表2所示的值。
除了BNT-BT靶材的组成之外，通过与实施例2同样的方法，制作实施例3～6和比较例2、3各自的介电薄膜元件。在实施例3～6和比较例2、3的任意情况下，介电薄膜元件具有：单晶基板(Si)、与单晶基板重叠的第一密合层、与第一密合层重叠的第二密合层、与第二密合层重叠的第一电极层、与第一电极层重叠的第一缓冲层(LaNiO3)、与第一缓冲层重叠的第二缓冲层(SrRuO3)、与第二缓冲层重叠的介电薄膜、和与介电薄膜重叠的第二电极层。
通过与实施例1同样的方法，分析实施例3～6和比较例2、3各自的介电薄膜元件。
实施例3～6和比较例2、3各自的介电薄膜的组成以上述化学式1表示。在实施例3～6和比较例2、3的任意情况下，均确认到上述化学式1中的x的值与下述表2所示的值一致。在实施例3～6和比较例2、3的任意情况下，介电薄膜的XRD图案均暗示了构成介电薄膜的BNT-BT为具有钙钛矿结构的结晶。
在实施例3～6的任意情况下，BNT-BT的结晶均为具有钙钛矿结构的正方晶，与介电薄膜的表面平行的结晶面为正方晶的(100)面，与单晶基板的表面垂直的正方晶的结晶面为(001)面。即，在实施例3～6的任意情况下，构成介电薄膜的正方晶的(100)面均在介电薄膜的表面的法线方向上取向。
在比较例2和3的任意情况下，BNT-BT的结晶均为具有钙钛矿结构的正方晶，与介电薄膜的表面平行的结晶面为正方晶的(001)面，与单晶基板的表面垂直的正方晶的结晶面为(100)面。即，在比较例2和3的任意情况下，构成介电薄膜的正方晶的(001)面均在介电薄膜的表面的法线方向上取向。
实施例3～6和比较例2、3各自的εr、d33和-e31，f在下述表2中表示。
[表2]
表2 x 取向的结晶面 εr[－] d33[pm/V] －e31,f[C/m2]
比较例2 0.10 (001) 676 61 －
实施例3 0.15 (100) 1816 146 7.6
实施例2 0.30 (100) 1573 190 15.5
实施例4 0.40 (100) 1445 169 8.9
实施例5 0.50 (100) 1346 75 －
实施例6 0.70 (100) 1159 56 －
比较例3 0.80 (001) 589 53 －
(实施例7～10和比较例4、5)
实施例7～10和比较例4、5各自的介电薄膜的形成中使用的BNT－BT靶材的组成以上述化学式3表示。在实施例7～10和比较例4、5各自的情况下，化学式3中的x的值调整成下述表3所示的值。
除了BNT－BT靶材的组成之外，通过与实施例1同样的方法，制作实施例7～10和比较例4、5各自的介电薄膜元件。在实施例7～10和比较例4、5的任意情况下，介电薄膜元件均具有：单晶基板(Si)、与单晶基板重叠的第一密合层、与第一密合层重叠的第二密合层、与第二密合层重叠的第一电极层、与第一电极层重叠的第一缓冲层(LaNiO3)、与第一缓冲层重叠的第二缓冲层(La0.5Sr0.5CoO3)、与第二缓冲层重叠的介电薄膜、和与介电薄膜重叠的第二电极层。
通过与实施例1同样的方法，分析实施例7～10和比较例4、5各自的介电薄膜元件。
实施例7～10和比较例4、5各自的介电薄膜的组成以上述化学式1表示。在实施例7～10和比较例4、5的任意情况下，均确认到上述化学式1中的x的值与下述表3所示的值一致。在实施例7～10和比较例4、5的任意情况下，介电薄膜的XRD图案均暗示了构成介电薄膜的BNT－BT为具有钙钛矿结构的结晶。
在实施例7～10的任意情况下，BNT－BT的结晶均为具有钙钛矿结构的正方晶，与介电薄膜的表面平行的结晶面为正方晶的(100)面，与单晶基板的表面垂直的正方晶的结晶面为(001)面。即，实施例5和6的任意情况下，构成介电薄膜的正方晶的(100)面均在介电薄膜的表面的法线方向上取向。
在比较例4和5的任意情况下，BNT－BT的结晶均为具有钙钛矿结构的正方晶，与介电薄膜的表面平行的结晶面为正方晶的(001)面，与单晶基板的表面垂直的正方晶的结晶面为(100)面。即，在比较例4和5的任意情况下，构成介电薄膜的正方晶的(001)面均在介电薄膜的表面的法线方向上取向。
实施例7～10和比较例4、5各自的εr、d33和－e31，f在下述表3中表示。
[表3]
表3 x 取向的结晶面 εr[－] d33[pm/V] －e31,f[C/m2]
比较例4 0.10 (001) 667 78 －
实施例7 0.15 (100) 1567 157 9.8
实施例1 0.30 (100) 1366 215 19.1
实施例8 0.40 (100) 1213 188 11.2
实施例9 0.50 (100) 1179 83 －
实施例10 0.70 (100) 1028 59 －
比较例5 0.80 (001) 515 46 －
工业上的可利用性
本发明的电介质薄膜例如可应用于薄膜电容器、压电致动器、压电传感器、磁头组件、磁头悬臂组件、硬盘驱动器、打印头和喷墨打印装置。
符号说明
10…介电薄膜元件，100…压电元件，1…单晶基板，2…第一电极层，3…介电薄膜，4…第二电极层，5a…第一密合层(中间层)，5b…第二密合层(中间层)，6a…第一晶质层(中间层)，6b…第二晶质层(中间层)，DN…单晶基板的表面的法线方向，dn…介电薄膜的表面的法线方向，tc1…具有钙钛矿结构的正方晶的第一晶胞，tc2…具有钙钛矿结构的正方晶的第二晶胞，a…正方晶的(100)面的面间隔，c…正方晶的(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，25…压电薄膜，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，30…压电薄膜，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，40…压电元件，41…共用电极层，42…压电薄膜，43…独立电极层，44…支承体，45…空腔，46…电流放大器，47…电压测定器，600…脉搏传感器，50…压电元件，51…共用电极层，52…压电薄膜，53…独立电极层，54…支承体，55…电压测定器，700…硬盘驱动器，60…框体，61…硬盘，62…磁头悬臂组件，63…音圈马达，64…致动器臂部，65…磁头组件，800…喷墨打印装置，70…打印头，71…主体，72…托盘，73…头驱动单元，74…排出口，75…记录用纸，76…自动送纸器(自动连续供纸单元)。

Claims (18)

1.一种包含金属氧化物的介电薄膜，其特征在于：
所述金属氧化物包含铋、钠、钡和钛，
所述金属氧化物的至少一部分为具有钙钛矿结构的正方晶，
至少一部分的所述正方晶的(100)面在所述介电薄膜的表面的法线方向上取向，
所述金属氧化物以下述化学式1表示，
(1－x)(Bi0.5Na0.5)TiO3－xBaTiO3(1)
所述化学式1中，x满足0.15≤x≤0.40。
2.如权利要求1所述的介电薄膜，其特征在于：
在对所述介电薄膜施加与所述介电薄膜的表面的法线方向平行的电场时，所述正方晶的(001)面的衍射X射线的峰面积不增加。
3.如权利要求1所述的介电薄膜，其特征在于：
在对所述介电薄膜施加与所述介电薄膜的表面的法线方向平行的电场时，所述正方晶的(001)面的衍射X射线的峰面积增加。
4.如权利要求1所述的介电薄膜，其特征在于：
在对所述介电薄膜施加与所述介电薄膜的表面的法线方向平行的电场的状态下，
一部分的所述正方晶的(100)面在所述介电薄膜的表面的法线方向上取向，
另一部分的所述正方晶的(001)面在所述介电薄膜的表面的法线方向上取向。
5.一种介电薄膜元件，其特征在于：
具有权利要求1～4中任一项所述的介电薄膜。
6.如权利要求5所述的介电薄膜元件，其特征在于，具有：
单晶基板；和
与所述单晶基板重叠的所述介电薄膜，
至少一部分的所述正方晶的(100)面在所述单晶基板的表面的法线方向上取向。
7.如权利要求6所述的介电薄膜元件，其特征在于，具有：
所述单晶基板；
与所述单晶基板重叠的第一电极层；
隔着所述第一电极层与所述单晶基板重叠的所述介电薄膜；和
与所述介电薄膜重叠的第二电极层。
8.如权利要求7所述的介电薄膜元件，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第一电极层之间、所述第一电极层与所述介电薄膜之间、或所述介电薄膜与所述第二电极层之间。
9.如权利要求6所述的介电薄膜元件，其特征在于，具有：
所述单晶基板；
与所述单晶基板重叠的第一电极层；
与所述第一电极层重叠的第一晶质层；
与所述第一晶质层重叠的第二晶质层；
与所述第二晶质层重叠的所述介电薄膜；和
与所述介电薄膜重叠的第二电极层，
所述第一晶质层包含具有钙钛矿结构的LaNiO3的结晶，
所述第二晶质层包含具有钙钛矿结构的SrRuO3的结晶，
所述第一晶质层的(100)面在所述单晶基板的表面的法线方向上取向，
所述第二晶质层的(100)面在所述单晶基板的表面的法线方向上取向。
10.如权利要求6所述的介电薄膜元件，其特征在于，具有：
所述单晶基板；
与所述单晶基板重叠的第一电极层；
与所述第一电极层重叠的第一晶质层；
与所述第一晶质层重叠的第二晶质层；
与所述第二晶质层重叠的所述介电薄膜；和
与所述介电薄膜重叠的第二电极层，
所述第一晶质层包含具有钙钛矿结构的LaNiO3的结晶，
所述第二晶质层包含具有钙钛矿结构的(La,Sr)CoO3的结晶，
所述第一晶质层的(100)面在所述单晶基板的表面的法线方向上取向，
所述第二晶质层的(100)面在所述单晶基板的表面的法线方向上取向。
11.如权利要求5～10中任一项所述的介电薄膜元件，其特征在于：
其为压电元件。
12.一种压电致动器，其特征在于：
具有权利要求11所述的介电薄膜元件。
13.一种压电传感器，其特征在于：
具有权利要求11所述的介电薄膜元件。
14.一种磁头组件，其特征在于：
具有权利要求12所述的压电致动器。
15.一种磁头悬臂组件，其特征在于：
具有权利要求14所述的磁头组件。
16.一种硬盘驱动器，其特征在于：
具有权利要求15所述的磁头悬臂组件。
17.一种打印头，其特征在于：
具有权利要求12所述的压电致动器。
18.一种喷墨打印装置，其特征在于：
具有权利要求17所述的打印头。
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