DE102022119505A1 - Piezoelektrischer dünnfilm, piezoelektrisches dünnfilmelement und piezoelektrischer wandler - Google Patents

Piezoelektrischer dünnfilm, piezoelektrisches dünnfilmelement und piezoelektrischer wandler Download PDF

Info

Publication number
DE102022119505A1
DE102022119505A1 DE102022119505.8A DE102022119505A DE102022119505A1 DE 102022119505 A1 DE102022119505 A1 DE 102022119505A1 DE 102022119505 A DE102022119505 A DE 102022119505A DE 102022119505 A1 DE102022119505 A1 DE 102022119505A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
piezoelectric
layer
thin film
crystal
tetragonal crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022119505.8A
Other languages
English (en)
Inventor
Junpei Morishita
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Publication of DE102022119505A1 publication Critical patent/DE102022119505A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/704—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings
    • H10N30/706—Piezoelectric or electrostrictive devices based on piezoelectric or electrostrictive films or coatings characterised by the underlying bases, e.g. substrates
    • H10N30/708—Intermediate layers, e.g. barrier, adhesion or growth control buffer layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/079—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing using intermediate layers, e.g. for growth control
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8561—Bismuth-based oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

Ein piezoelektrischer Dünnfilm enthält eine untere Schicht und eine erste piezoelektrische Schicht, die auf die untere Schicht gestapelt ist. Die erste piezoelektrische Schicht enthält einen tetragonalen Kristall 1 aus einem Oxid vom Perowskit-Typ. Eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 ist in einer Normalenrichtung dn zu einer Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert. Ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 ist a1. Ein Abstand von (100)-Ebenen eines in der unteren Schicht enthaltenen Kristalls ist aL. Die Gitterfehlanpassungsrate von der ersten piezoelektrischen Schicht und der unteren Schicht beträgt 100 ×(aL - a1)/a1. Die Gitterfehlanpassungsrate beträgt 3,0 bis 12,1%. Eine Rocking-Kurve von gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wird in einer Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht gemessen. Die FWHM der Rocking-Kurve beträgt 1,9 bis 5,5°.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine piezoelektrischer Dünnfilm, ein piezoelektrisches Dünnfilmelement (piezoelektrischer Dünnfilmvorrichtung) und einen piezoelektrischen Wandler.
  • HINTERGRUND
  • Ein piezoelektrisches Material wird zu verschiedenen piezoelektrischen Elementen für unterschiedliche Verwendungszwecke verarbeitet. Beispielsweise wandelt ein piezoelektrischer Aktor eine Spannung in eine Kraft durch einen inversen piezoelektrischen Effekt um, der ein piezoelektrisches Material verformt, wenn eine Spannung an das piezoelektrische Material angelegt wird. Darüber hinaus wandelt ein piezoelektrischer Sensor eine Kraft in eine Spannung um, und zwar durch einen piezoelektrischen Effekt, der ein piezoelektrisches Material verformt, wenn ein Druck auf das piezoelektrische Material ausgeübt wird, um eine elektrische Polarisierung zu bewirken. Diese piezoelektrischen Elemente sind auf verschiedenen elektronischen Geräten angebracht.
  • In den letzten Jahren wurden auf dem Markt die Miniaturisierung und die Verbesserung der Leistung elektronischer Geräte gefordert, und daher wurde ein piezoelektrisches Element unter Verwendung eines piezoelektrischen Dünnfilms (piezoelektrisches Dünnfilmelement) aktiv untersucht. Da es jedoch schwierig ist, einen piezoelektrischen Effekt und einen inversen piezoelektrischen Effekt zu erzielen, wenn die Dicke eines piezoelektrischen Materials abnimmt, wurde der Entwicklung eines piezoelektrischen Materials mit ausgezeichneten piezoelektrischen Eigenschaften in einem Dünnfilmzustand entgegengesehen.
  • Als piezoelektrisches Material wurde bisher häufig Blei-Zirkonat-Titanat (sog. PZT), ein ferroelektrisches Material vom Perowskit-Typ, verwendet (siehe Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2008-192868). Da PZT jedoch Blei (Pb) enthält, das die Umwelt und den menschlichen Körper schädigt, wurde der Entwicklung eines bleifreien piezoelektrischen Materials als Alternative zu PZT entgegengesehen. Zum Beispiel ist in Y Kawahara et al, Control of Crystal Structure of BiFeO3 Epitaxial Thin Films by Adjusting Growth Conditions and Piezoelectric Properties, Japanese Journal of Applied Physics. 51 (2012) 09LB04, BiFeO3 als ein Beispiel für bleifreie piezoelektrische Materialien beschrieben. BiFeO3 hat unter den bleifreien piezoelektrischen Materialien relativ hervorragende piezoelektrische Eigenschaften und wird daher voraussichtlich insbesondere für ein piezoelektrisches Dünnfilmelement verwendet werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Haupt-Indizes (piezoelektrische Konstanten), die die Leistung des piezoelektrischen Materials wiedergeben, sind d33,f (piezoelektrische Dehnungskonstante) und g33 (piezoelektrische Ausgangskonstante). Die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f (Einheit: pC/N) ist ein Index für die Dehnungsmenge pro Einheit des elektrischen Feldes (Signalübertragungsfähigkeit). Je größer die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f ist, desto besser ist die Leistung des piezoelektrischen Materials als Aktor. Die piezoelektrische Ausgangskonstante g33 (Einheit: ×10-3 V·m/N) ist indes ein Maß für die Stärke des pro Spannungseinheit erzeugten elektrischen Feldes (Signalempfangsfähigkeit). Je höher die piezoelektrische Ausgangskonstante g33 ist, desto besser ist die Leistung des piezoelektrischen Materials als Sensor, z. B. als Wandler. g33 wird repräsentiert durch d33,f/εrε0 oder d33,f/ε33ε0. εr oder ε33 ist eine relative Permittivität (Einheit: keine) des piezoelektrischen Materials. ε0 ist eine Permittivität des Vakuums (8,854 ×10-12Fm-1).d33,f/εrε0 wird als „piezoelektrischer Leistungsindex“ bezeichnet. Der piezoelektrische Leistungsindex steigt mit einer Erhöhung von d33,f, und der piezoelektrische Leistungsindex steigt mit einer Verringerung von εr. Das heißt, der piezoelektrische Leistungsindex (d33,f/εrε0) wird erhöht, wenn sowohl eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f als auch eine niedrige relative Permittivität εr erreicht werden.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen piezoelektrischen Dünnfilm mit einem großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0), ein piezoelektrisches Dünnfilmelement, das diesen piezoelektrischen Dünnfilm enthält, und einen piezoelektrischen Wandler, der dieses piezoelektrische Dünnfilmelement enthält, bereitzustellen.
  • Ein piezoelektrischer Dünnfilm gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine untere Schicht und eine erste piezoelektrische Schicht, die direkt oder indirekt auf die untere Schicht gestapelt ist. Die erste piezoelektrische Schicht enthält einen tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ. Eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 ist in einer Normalenrichtung einer Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert. ((001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 können in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert sein.) Ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 ist a1. Ein Abstand von (100)-Ebenen eines in der unteren Schicht enthaltenen Kristalls ist aL. Eine Gitterfehlanpassungsrate zwischen der ersten piezoelektrischen Schicht und der unteren Schicht ist definiert als 100 ×(aL - a1)/a1. Die Gitterfehlanpassungsrate beträgt von 3,0% bis 12,1%. Eine Rocking-Kurve von gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene(n) des tetragonalen Kristalls 1 wird in einer Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht gemessen. Die volle Breite beim halben Maximum (FWHM) der Rocking-Kurve beträgt von 1,9° bis 5,5°.
  • Das aL kann von 3,92 Å bis 4,29 Å betragen.
  • Eine (001)-Ebene ((001)-Ebenen) des in der unteren Schicht enthaltenen Kristalls kann in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert sein.
  • Bei dem in der unteren Schicht enthaltenen Kristall kann es sich um mindestens einen Kristall handeln, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem kubischen Kristall, einem tetragonalen Kristall, einem rhomboedrischen Kristall, einem pseudokubischen Kristall und einem pseudotetragonalen Kristall besteht.
  • Der in der unteren Schicht enthaltene Kristall kann mindestens eine Verbindung aus Bariumtitanat und Titannitrid enthalten.
  • Eine Dicke der unteren Schicht kann von 10 nm bis 350 nm betragen.
  • Ein Abstand der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 ist c1.c1/a1 kann von 1,050 bis 1,250 betragen.
  • Der tetragonale Kristall 1 kann Bismut, Eisen, ein Element EB und Sauerstoff enthalten. Das Element EB kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium, Aluminium, Zirkonium, Titan, Nickel und Zink besteht.
  • Der tetragonale Kristall 1 kann durch die nachstehende chemische Formel 1 repräsentiert werden. EA in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann mindestens ein Element sein, das aus Gruppe ausgewählt ist, die aus Na, K und Ag besteht. EB in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn besteht. x1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann von 0,10 bis 0,90 betragen. y1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann von 0,05 bis 0,85 betragen. z1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann von 0,05 bis 0,85 betragen. x1 + y1 + z1 kann 1,00 sein. α in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann 0,00 oder mehr und weniger als 1,00 betragen. x1(Bi1-αEA α)EBO3-y1BiFeO3-z1Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (1)
  • Der piezoelektrische Dünnfilm kann eine zweite piezoelektrische Schicht enthalten. Die zweite piezoelektrische Schicht kann zwischen der unteren Schicht und der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Die zweite piezoelektrische Schicht kann einen tetragonalen Kristall 2 eines Oxids vom Perowskit-Typ enthalten. Eine (001)-Ebene ((001)-Ebenen) des tetragonalen Kristalls 2 kann in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert sein, Ein Abstand der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 ist c1. Ein Abstand der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 ist c2. Ein Abstand der (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 ist a2. c2/a2 kann kleiner als c1/a1 sein.
  • Das c2/a2 kann von 1,010 bis 1,110 betragen.
  • Eine Peak-Intensität von an der/den (001)-Ebene(n) des tetragonalen Kristalls 1 gebeugten Röntgenstrahlen ist I1. Eine Peak-Intensität von an der/den (001)-Ebene(n) des tetragonalen Kristalls 2 gebeugten Röntgenstrahlen ist I2. I1/(I1+ I2) kann 0,90 oder mehr und weniger als 1,00 betragen.
  • Der tetragonale Kristall 2 kann Bismut, Eisen, ein Element EB und Sauerstoff enthalten. Das Element EB kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium, Aluminium, Zirkonium, Titan, Nickel und Zink besteht.
  • Der tetragonale Kristall 2 kann durch die nachstehende chemische Formel 2 repräsentiert werden. EA in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Na, K und Ag besteht. EB in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn besteht. x2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann von 0,10 bis 0,85 betragen. y2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann von 0,10 bis 0,85 betragen. z2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann von 0,05 bis 0,80 betragen. x2 + y2 + z2 kann 1,00 sein. α in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann 0,00 oder mehr und weniger als 1,00 betragen. x2(Bi1-αEA α)EBO3-y2BiFeO3-z2Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (2)
  • Eine Dicke der zweiten piezoelektrischen Schicht kann von 10 nm bis 300 nm betragen.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement (piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung) gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält den oben beschriebenen piezoelektrischen Dünnfilm.
  • Das piezoelektrische Dünnfilmelement kann ein kristallines Substrat und eine auf dem kristallinen Substrat gestapelte Elektrodenschicht enthalten. Die untere Schicht kann direkt auf die Elektrodenschicht gestapelt sein. Zwischen dem kristallinen Substrat und der Elektrodenschicht kann eine Zwischenschicht angeordnet sein. Die Zwischenschicht kann ZrO2 und Y2O3 enthalten.
  • Das piezoelektrische Dünnfilmelement kann eine Elektrodenschicht enthalten. Die untere Schicht kann direkt auf die Elektrodenschicht gestapelt sein. Die Elektrodenschicht kann einen Platinkristall enthalten. Eine (002)-Ebene ((002)-Ebenen) des Platinkristalls kann in einer Normalenrichtung einer Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert sein. Eine (200)-Ebene ((200)-Ebenen) des Platinkristalls kann in einer In-Plane-Richtung der Elektrodenschicht orientiert sein.
  • Ein piezoelektrischer Wandler gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das oben beschriebene piezoelektrischer Dünnfilmelement.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein piezoelektrischer Dünnfilm mit einem großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0), ein piezoelektrisches Dünnfilmelement, das diesen piezoelektrischen Dünnfilm enthält, und ein piezoelektrischer Wandler, der dieses piezoelektrische Dünnfilmelement enthält, bereitgestellt.
  • Figurenliste
    • 1A ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
    • 1B ist eine perspektivische Explosionsansicht des piezoelektrischen Dünnfilmelements in 1A.
    • 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Einheitszelle einer Struktur vom Perowskit-Typ (Oxid vom Perowskit-Typ).
    • 3A ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Einheitszelle eines tetragonalen Kristalls 1, der in einer ersten piezoelektrischen Schicht enthalten ist, und 3B ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Einheitszelle eines Kristalls, der in einer unteren Schicht enthalten ist.
    • 4 ist eine schematische Ansicht, die ein Messverfahren (ω-Abtastung) einer Rocking-Kurve von gebeugten Röntgenstrahlen herrührend von einer (001)-Ebene des in der ersten piezoelektrischen Schicht enthaltenen tetragonalen Kristalls 1 veranschaulicht.
    • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilms (eine untere Schicht und eine erste piezoelektrische Schicht) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 7A ist eine schematische perspektivische Ansicht der Einheitszelle des tetragonalen Kristalls 1, der in der ersten piezoelektrischen Schicht enthalten ist, und 7B ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Einheitszelle eines tetragonalen Kristalls 2, der in einer zweiten piezoelektrischen Schicht enthalten ist.
    • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilms (eine untere Schicht, eine zweite piezoelektrische Schicht und eine erste piezoelektrische Schicht) gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 9 ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmelements (Ultraschallwandler) gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10 zeigt ein Beispiel für die Rocking-Kurve der gebeugten Röntgenstrahlen herrührend von der (001)-Ebene des in der ersten piezoelektrischen Schicht enthaltenen tetragonalen Kristalls 1.
    • 11 zeigt ein Beispiel einer reziproken Raumkarte der gebeugten Röntgenstrahlen herrührend vom piezoelektrischen Dünnfilm, bestehend aus der unteren Schicht, der zweiten piezoelektrischen Schicht und der ersten piezoelektrischen Schicht.
  • DETAILLERTE BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend werden Details von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt. In den Zeichnungen sind gleiche oder gleichwertige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die in 1A, 1B, 4, 6 und 9 gezeigten X-, Y-und Z-Achsen sind drei orthogonal zueinander stehende Koordinatenachsen. Die Richtung jeder der drei Koordinatenachsen ist für 1A, 1B, 4, 6 und 9 gleich.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält einen piezoelektrischen Dünnfilm. 1A ist eine Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und 1B ist eine perspektivische Explosionsansicht des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10. Der Querschnitt dieses piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 verläuft senkrecht zu einer Oberfläche eines piezoelektrischen Dünnfilms P. Das piezoelektrische Dünnfilmelement 10 enthält ein kristallines Substrat 8, eine erste Elektrodenschicht 7 (untere Elektrodenschicht), die direkt oder indirekt auf das kristalline Substrat 8 gestapelt ist, einen piezoelektrischen Dünnfilm P, der direkt auf die erste Elektrodenschicht 7 gestapelt ist, und eine zweite Elektrodenschicht 4 (obere Elektrodenschicht), die direkt oder indirekt auf den piezoelektrischen Dünnfilm P gestapelt ist. Der piezoelektrische Dünnfilm P enthält eine untere Schicht 6, die direkt auf die erste Elektrodenschicht 7 gestapelt ist, und eine erste piezoelektrische Schicht 3A, die direkt oder indirekt auf die untere Schicht 6 gestapelt ist. Das piezoelektrische Dünnfilmelement 10 kann weiterhin eine Zwischenschicht 5 enthalten. Die Zwischenschicht 5 kann zwischen dem kristallinen Substrat 8 und der ersten Elektrodenschicht 7 angeordnet sein und die erste Elektrodenschicht 7 kann direkt auf eine Oberfläche der Zwischenschicht 5 gestapelt sein. Wie in 1B gezeigt kann eine Normalenrichtung dn einer Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A im Wesentlichen parallel zu einer Normalenrichtung DN einer Oberfläche des kristallinen Substrats 8 sein. Die Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A kann als Dickenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms P bezeichnet werden. In der perspektivischen Explosionsansicht des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10, die in 1B gezeigt ist, sind die Zwischenschicht 5, die erste Elektrodenschicht 7, die untere Schicht 6 und die zweite Elektrodenschicht 4 weggelassen.
  • Ein Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 muss nicht das kristalline Substrat 8 enthalten. Beispielsweise kann das kristalline Substrat 8 nach der Bildung der ersten Elektrodenschicht 7 und des piezoelektrischen Dünnfilms P entfernt werden. Ein Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 muss nicht die zweite Elektrodenschicht 4 enthalten. Beispielsweise kann ein piezoelektrisches Dünnfilmelement, das keine zweite Elektrodenschicht enthält, als Produkt an einen Hersteller eines elektronischen Geräts geliefert werden und dann kann die zweite Elektrodenschicht dem piezoelektrischen Dünnfilmelement im Herstellungsprozess des elektronischen Geräts hinzugefügt werden. Im Fall, dass das kristalline Substrat 8 als Elektrode fungiert, muss ein Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 nicht die erste Elektrodenschicht 7 enthalten. Das heißt, das Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 kann das kristalline Substrat 8 und den piezoelektrischen Dünnfilm P enthalten, der auf das kristalline Substrat 8 gestapelt ist. Falls die erste Elektrodenschicht 7 nicht vorhanden ist, kann die untere Schicht 6, die im piezoelektrischen Dünnfilm P enthalten ist, direkt auf das kristalline Substrat 8 gestapelt sein. Wenn die erste Elektrodenschicht 7 nicht vorhanden ist, kann die untere Schicht 6, die im piezoelektrischen Dünnfilm P enthalten ist, auf das kristalline Substrat 8 gestapelt sein, wobei die Zwischenschicht 5 dazwischen eingefügt wird.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm P kann zusätzlich zu der unteren Schicht 6 und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A eine zweite piezoelektrische Schicht 3B enthalten. Der piezoelektrische Dünnfilm P kann aus der unteren Schicht 6, der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B bestehen. Wenn der piezoelektrische Dünnfilm P die zweite piezoelektrische Schicht 3B enthält, ist die zweite piezoelektrische Schicht 3B zwischen der unteren Schicht 6 und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A angeordnet. Beispielsweise enthält der piezoelektrische Dünnfilm P, der in einem in 6 gezeigten piezoelektrischen Dünnfilmelement 10a enthalten ist, die untere Schicht 6, die direkt auf die erste Elektrodenschicht 7 gestapelt ist, die zweite piezoelektrische Schicht 3B, die direkt auf die untere Schicht 6 gestapelt ist, und die erste piezoelektrische Schicht 3A, die direkt auf die zweite piezoelektrische Schicht 3B gestapelt ist. Die zweite piezoelektrische Schicht 3B ist jedoch für den piezoelektrischen Dünnfilm P nicht unbedingt erforderlich und der piezoelektrische Dünnfilm P muss nicht die zweite piezoelektrische Schicht 3B enthalten. Der piezoelektrische Dünnfilm P kann zum Beispiel aus der unteren Schicht 6 und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A bestehen.
  • Die erste piezoelektrische Schicht 3A enthält einen tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ. Es versteht sich von selbst, dass das Oxid vom Perowskit-Typ ein Oxid mit einer Struktur vom Perowskit-Typ ist. Das Oxid vom Perowskit-Typ ist ein Hauptbestandteil der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. Der Gesamtanteil der Elemente, die das Oxid vom Perowskit-Typ in der ersten piezoelektrischen Schicht 3A bilden, kann von 99 Mol-% bis 100 Mol-% betragen. Der tetragonale Kristall 1 kann ein Einkristall oder ein Polykristall sein. Die zweite piezoelektrische Schicht 3B enthält einen tetragonalen Kristall 2 eines Oxids vom Perowskit-Typ. Das Oxid vom Perowskit-Typ ist ein Hauptbestandteil jeder zweiten piezoelektrischen Schicht 3B. Der Gesamtanteil der Elemente, die das Oxid vom Perowskit-Typ in der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B bilden, kann von 99 Mol-% bis 100 Mol-% betragen. Der tetragonale Kristall 2 kann ein Einkristall oder ein Polykristall sein. Die erste piezoelektrische Schicht 3A kann aus dem tetragonalen Kristall 1 bestehen. Die erste piezoelektrische Schicht 3A muss nicht den tetragonalen Kristall 2 enthalten. Die erste piezoelektrische Schicht 3A kann eine Spurenmenge des tetragonalen Kristalls 2 enthalten. Die zweite piezoelektrische Schicht 3B kann aus dem tetragonalen Kristall 2 bestehen. Die zweite piezoelektrische Schicht 3B muss nicht den tetragonalen Kristall 1 enthalten. Die zweite piezoelektrische Schicht 3B kann eine Spurenmenge des tetragonalen Kristalls 1 enthalten.
  • Die erste piezoelektrische Schicht 3A kann zusätzlich zum tetragonalen Kristall 1 eine Spurenmenge eines anderen Kristalls als des tetragonalen Kristalls enthalten. Die zweite piezoelektrische Schicht 3B kann zusätzlich zum tetragonalen Kristall 2 auch eine Spurenmenge eines anderen Kristalls als des tetragonalen Kristalls enthalten. Beispielsweise kann eine Spurenmenge eines anderen Kristalls als des tetragonalen Kristalls mindestens ein Kristall eines Oxids vom Perowskit-Typ sein, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem kubischen Kristall, einem rhomboedrischen Kristall, einem pseudokubischen Kristall und einem pseudotetragonalen Kristall besteht.
  • Die untere Schicht 6 enthält einen Kristall. Zum Beispiel kann der in der unteren Schicht 6 enthaltene Kristall mindestens ein Kristall sein, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem kubischen Kristall, einem tetragonalen Kristall, einem rhomboedrischen Kristall, einem pseudokubischen Kristall und einem pseudotetragonalen Kristall besteht. Der in der unteren Schicht 6 enthaltene Kristall kann ein Einkristall oder ein Polykristall sein. Die untere Schicht 6 kann aus dem Kristall bestehen.
  • Der tetragonale Kristall 1 kann Bismut (Bi), Eisen (Fe), ein Element EB und Sauerstoff (O) enthalten. Das im tetragonalen Kristall 1 enthaltene Element EB kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium (Mg), Aluminium (Al), Zirkonium (Zr), Titan (Ti), Nickel (Ni) und Zink (Zn) besteht. Der tetragonale Kristall 1 kann eine Mehrzahl von EB'S enthalten. Der tetragonale Kristall 1 kann weiterhin ein Element EA zusätzlich zu Bi, Fe, EB und O enthalten. Das in dem tetragonalen Kristall 1 enthaltene Element EA kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Natrium (Na), Kalium (K) und Silber (Ag) besteht. Der tetragonale Kristall 1 kann eine Mehrzahl von EA'S enthalten.
  • Der tetragonale Kristall 2 kann auch Bismut, Eisen, ein Element EB und Sauerstoff enthalten. Bei dem im tetragonalen Kristall 2 enthaltenen Element EB kann es sich auch um mindestens ein Element handeln, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium, Aluminium, Zirkonium, Titan, Nickel und Zink besteht. Der tetragonale Kristall 2 kann weiterhin ein Element EA zusätzlich zu Bi, Fe, EB und O enthalten. Der tetragonale Kristall 2 kann auch eine Mehrzahl von EB'S enthalten. Bei dem im tetragonalen Kristall 2 enthaltenen Element EA kann es sich auch um mindestens ein Element handeln, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Natrium, Kalium und Silber besteht. Der tetragonale Kristall 2 kann auch eine Mehrzahl von EA'S enthalten.
  • Die Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 1 kann gleich der Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 2 sein. Die Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 1 kann sich von der Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 2 unterscheiden. Der tetragonale Kristall 1 und der tetragonale Kristall 2 können auch andere Elemente als Bi, Fe, EA, EB und O enthalten. Sowohl der tetragonale Kristall 1 als auch der tetragonale Kristall 2 müssen kein Pb enthalten. Sowohl der tetragonale Kristall 1 als auch der tetragonale Kristall 2 können Pb enthalten. Sowohl der tetragonale Kristall 1 als auch der tetragonale Kristall 2 können Fe2+ (zweiwertiges Eisen) sowie Fe3+ (dreiwertiges Eisen) als Eisen enthalten. Sowohl der tetragonale Kristall 1 als auch der tetragonale Kristall 2 können nur Fe3+(dreiwertiges Eisen) als Eisen enthalten.
  • 2 zeigt eine Einheitszelle uc eines Oxids vom Perowskit-Typ. Jedes der Elemente a, b und c in 2 ist ein primitiver Gittervektor der Perowskitstruktur. Ein Element, das sich an der A-Stelle der Einheitszelle uc befindet, kann Bi oder EA sein. Ein Element, das sich an der B-Stelle der Einheitszelle uc befindet, kann Fe oder EB sein. Ein Teil des Fe, das sich an der B-Stelle befindet, kann zweiwertiges Eisen sein (Fe2+), und der Rest des Fe, das sich an der B-Stelle befindet, kann dreiwertiges Eisen sein (Fe3+). Das Fe an der B-Stelle kann auch nur dreiwertiges Eisen sein (Fe3+).
  • 3A zeigt eine Einheitszelle uc1 des tetragonalen Kristalls 1 und 3B zeigt eine Einheitszelle ucL des in der unteren Schicht 6 enthaltenen Kristalls. Zur besseren Veranschaulichung sind EB und O (Sauerstoff), die die Einheitszelle uc1 in 3A bilden, weggelassen, aber die Einheitszelle uc1 in 3A hat die gleiche Perowskitstruktur wie die Einheitszelle uc in 2. Der in der unteren Schicht 6 enthaltene Kristall wird als „unterer Kristall 6c“ bezeichnet.
  • Jeder der Vektoren a1, b1 und c1 in 3A ist ein primitiver Gittervektor des tetragonalen Kristalls 1. Der Vektor a1 in 3A entspricht dem Vektor a in 2. Der Vektor b1 in 3A entspricht dem Vektor b in 2. Der Vektor c1 in 3A entspricht dem Vektor c in 2. a1, b1 und c1 stehen senkrecht zueinander. Die Ausrichtung des Vektors a1 (a-Achse) ist [100]. Die Ausrichtung des Vektors b1 (b-Achse) ist [010]. Die Ausrichtung des Vektors c1 (c-Achse) ist [001]. Eine Länge a1 des Vektors a1 ist ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 (d. h. eine Gitterkonstante in der Richtung [100]). Eine Länge b1 des Vektors b1 ist ein Abstand von (010)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 (d.h. eine Gitterkonstante in der [010]-Richtung). Die Länge c1 des Vektors c1 ist ein Abstand der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 (d.h. eine Gitterkonstante in der [001]-Richtung). Die Länge a1 ist gleich der Länge b1. Die Länge c1 ist größer als die Länge a1.
  • Jeder der Vektoren aL, bL und cL in 3B ist ein primitiver Gittervektor des unteren Kristalls 6c. aL, bL und cL können senkrecht zueinander stehen. aL, bL und cL müssen nicht senkrecht zueinander stehen. Die Ausrichtung des Vektors aL (a-Achse) ist [100]. Die Ausrichtung des Vektors bL (b-Achse) ist [010]. Die Ausrichtung des Vektors cL (c-Achse) ist [001]. Eine Länge aL des Vektors aL ist ein Abstand von (100)-Ebenen des unteren Kristalls 6c (d.h. eine Gitterkonstante in der [100]-Richtung). Eine Länge bL des Vektors bL ist ein Abstand von (010)-Ebenen des unteren Kristalls 6c (d.h. eine Gitterkonstante in der [010]-Richtung). Eine Länge cL des Vektors cL ist ein Abstand von (001)-Ebenen des unteren Kristalls 6c (d. h. eine Gitterkonstante in der [001]-Richtung).
  • 7A zeigt die Einheitszelle uc1 des tetragonalen Kristalls 1 und 7B zeigt eine Einheitszelle uc2 des tetragonalen Kristalls 2. Der Einfachheit halber sind EB und O (Sauerstoff), die die Einheitszelle uc2 in 7B bilden, weggelassen, aber die Einheitszelle uc2 in 7B hat die gleiche Perowskitstruktur wie die Einheitszelle uc in 2. Die Einheitszelle uc1 in 7A ist die gleiche wie die Einheitszelle uc1 in 3A.
  • Jeder der Vektoren a2, b2 und c2 in 7B ist ein primitiver Gittervektor des tetragonalen Kristalls 2. Der Vektor a2 in 7B entspricht dem Vektor a in 2. Der Vektor b2 in 7B entspricht dem Vektor b in 2. Der Vektor c2 in 7B entspricht dem Vektor c in 2. a2, b2 und c2 stehen senkrecht zueinander. Die Ausrichtung des Vektors a2 (a-Achse) ist [100]. Die Ausrichtung des Vektors b2 (b-Achse) ist [010]. Die Ausrichtung des Vektors c2 (c-Achse) ist [001]. Eine Länge a2 des Vektors a2 ist ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 (d. h. eine Gitterkonstante in der Richtung [100]). Eine Länge b2 des Vektors b2 ist ein Abstand von (010)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 (d.h. eine Gitterkonstante in der [010]-Richtung). Die Länge c2 des Vektors c2 ist ein Abstand der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 (d.h. eine Gitterkonstante in der [001]-Richtung). Die Länge a2 ist gleich der Länge b2. Die Länge c2 ist größer als die Länge a2.
  • Wie in 1B, 3A und 7A dargestellt ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 (Einheitszelle uc1) in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert. Wie in 1B und 7B dargestellt ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 (Einheitszelle uc2) ebenfalls in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert. Beispielsweise können sowohl die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 als auch die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A verlaufen und die [001]-Richtung sowohl des tetragonalen Kristalls 1 als auch des tetragonalen Kristalls 2 kann im Wesentlichen parallel zur Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A verlaufen. Die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 kann in der Normalenrichtung DN der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 kann ebenfalls in der Normalenrichtung DN der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Mit anderen Worten können sowohl die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 als auch die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des kristallinen Substrats 8 verlaufen und die [001]-Richtung sowohl des tetragonalen Kristalls 1 als auch des tetragonalen Kristalls 2 kann im Wesentlichen parallel zur Normalenrichtung DN der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 verlaufen.
  • Ein tetragonaler Kristall eines Oxids vom Perowskit-Typ ist wahrscheinlich in der Richtung [001] polarisiert. Das heißt, [001] ist eine Orientierung, in der ein tetragonaler Kristall eines Oxids vom Perowskit-Typ im Vergleich zu anderen Kristallorientierungen wahrscheinlich polarisiert ist. Daher sind sowohl die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 als auch die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert, so dass der piezoelektrische Dünnfilm P hervorragende piezoelektrische Eigenschaften aufweisen kann. Aus demselben Grund kann der piezoelektrische Dünnfilm P ein ferroelektrisches Material sein. Im Fall, dass der piezoelektrische Dünnfilm P nur die erste piezoelektrische Schicht 3A unter der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B enthält, bedeutet die unten beschriebene „kristalline Orientierung“, dass die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert ist. Im Fall, dass der piezoelektrische Dünnfilm P sowohl die erste piezoelektrische Schicht 3A als auch die zweite piezoelektrische Schicht 3B enthält, bedeutet die unten beschriebene „kristalline Orientierung“, dass sowohl die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 als auch die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert sind.
  • Wenn der piezoelektrische Dünnfilm P die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweist, kann der piezoelektrische Dünnfilm P einen großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0) haben. Die oben beschriebene kristalline Ausrichtung ist ein besonderes Merkmal eines Dünnfilms. Ein Dünnfilm ist ein kristalliner Film, der durch ein Aufdampfverfahren, ein Lösungsverfahren oder ähnliches gebildet wird. Andererseits ist es schwierig, einen Bulk des piezoelektrischen Materials mit der gleichen Zusammensetzung wie die des piezoelektrischen Dünnfilms P mit der oben beschriebenen kristallinen Ausrichtung zu versehen. Dies beträgt daran, dass der Bulk des piezoelektrischen Materials ein gesintertes Material (keramisches Material) ist, das aus einem Pulver hergestellt wird, das wesentliche Elemente des piezoelektrischen Materials enthält, und dass die Struktur und die Ausrichtung zahlreicher Kristalle, die das gesinterte Material bilden, schwer zu kontrollieren sind. Da der Bulk des piezoelektrischen Materials ein Element wie Fe enthält, ist der spezifische Widerstand des Bulks des piezoelektrischen Materials niedriger als der des piezoelektrischen Dünnfilms P. Infolgedessen kann im Bulk des piezoelektrischen Materials leicht ein Leckstrom auftreten. Daher ist es schwierig, den Bulk des piezoelektrischen Materials durch Anlegen eines hohen elektrischen Feldes zu polarisieren, und es ist schwierig für den Bulk des piezoelektrischen Materials, einen großen piezoelektrischen Leistungsindex zu haben.
  • Wie oben beschrieben ist der Abstand der (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 a1 und der Abstand der (100)-Ebenen des in der unteren Schicht 6 enthaltenen Kristalls (unterer Kristall 6c) ist aL. aL ist größer als a1. Eine Gitterfehlanpassungsrate Δa zwischen der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der unteren Schicht 6 ist definiert als 100 × (aL - a1)/a1. Die Gitterfehlanpassungsrate Δa beträgt von 3,0% bis 12,1% oder von 3,01% bis 12,03%. Das heißt, 100 × (aL - a1)/a1 beträgt von 3,0 bis 12,1 oder von 3,01 bis 12,03. Eine Rocking-Kurve RC der gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wird in einer Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A gemessen. Die volle Breite beim halben Maximum (FWHM) der Rocking-Kurve RC beträgt von 1,9° bis 5,5°.
  • Im Fall, dass die Gitterfehlanpassungsrate Δa innerhalb des obigen Bereichs liegt, kann die FWHM der Rocking-Kurve RC leicht innerhalb des obigen Bereichs kontrolliert werden. Im Fall, dass die Gitterfehlanpassungsrate Δa weniger als 3,0% beträgt, tendiert die FWHM der Rocking-Kurve RC dazu, weniger als 1,9° zu betragen. Wenn die Gitterfehlanpassungsrate Δa mehr als 12,1% beträgt, tendiert die FWHM der Rocking-Kurve RC zu einem Wert von mehr als 5,5°. Da a1 von der Zusammensetzung und der kristallinen Struktur der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und aL von der Zusammensetzung und der kristallinen Struktur der unteren Schicht 6 abhängen, kann die Gitterfehlanpassungsrate Δa durch Auswahl und Kombination der Zusammensetzung und der kristallinen Struktur jeder der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der unteren Schicht 6 gesteuert werden.
  • Wenn die FWHM der Rocking-Kurve RC von 1,9° bis 5,5° beträgt, kann der piezoelektrische Dünnfilm P einen großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0) aufweisen. Das heißt, wenn die FWHM der Rocking-Kurve RC von 1,9° bis 5,5° beträgt, kann sowohl eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f des piezoelektrischen Dünnfilms P als auch eine niedrige relative Permittivität εr des piezoelektrischen Dünnfilms P erreicht werden.
  • Zum Beispiel kann der piezoelektrische Leistungsindex (d33,f/εrε0) des piezoelektrischen Dünnfilms P von 150 ×10-3V·m/N bis 239 ×10-3V·m/N oder von 155 ×10-3V·m/N bis 222 ×10-3V·m/N betragen.
  • Die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f des piezoelektrischen Dünnfilms P kann beispielsweise von 147 pC/N bis 179 pC/N oder von 149 pC/N bis 174 pC/N betragen.
  • Die relative Permittivität εr (oder ε33) des piezoelektrischen Dünnfilms P kann beispielsweise von 85 bis 150 oder von 88 bis 127 betragen.
  • Der Erfinder vermutet, dass der piezoelektrische Dünnfilm P einen großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0) durch den folgenden Mechanismus haben kann.
  • c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1, der die erste piezoelektrische Schicht 3A bildet, wird wahrscheinlich aufgrund der Gitterfehlanpassung ansteigen, wobei die Gitterfehlanpassungsrate Δa von 3,0% bis 12,1% beträgt. Mit einer Zunahme von c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 wird der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich eine niedrige relative Permittivität εr aufweisen. Darüber hinaus ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 um einen Grad geneigt, bei dem die FWHM der Rocking-Kurve RC von 1,9° bis 5,5° beträgt, was auf eine Gitterfehlanpassung zurückzuführen ist, bei der die Gitterfehlanpassungsrate Δa von 3,0% bis 12,1% beträgt. Das heißt, die FWHM der Rocking-Kurve RC stellt den Grad der Neigung der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 aufgrund von Gitterfehlanpassung dar, und mindestens ein Teil der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, der die erste piezoelektrische Schicht 3A bildet, ist nicht vollständig parallel zur Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. 5 zeigt beispielsweise die Neigung der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, aus dem die erste piezoelektrische Schicht 3A besteht, die direkt auf die unteren Schicht 6 gestapelt ist. 8 zeigt die Neigung der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, der die erste piezoelektrische Schicht 3A bildet, die direkt auf die zweite piezoelektrische Schicht 3B gestapelt ist. Das heißt, dass selbst Im Fall, dass die zweite piezoelektrische Schicht 3B zwischen der unteren Schicht 6 und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A angeordnet ist, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, der die erste piezoelektrische Schicht 3A bildet, geneigt ist. Wenn die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 bis zu einem Grad geneigt ist, bei dem die FWHM der Rocking-Kurve RC von 1,9° bis 5,5° beträgt, dreht sich die Polarisationsachse des tetragonalen Kristalls 1 zum Zeitpunkt des Anlegens eines elektrischen Feldes, so dass der piezoelektrische Dünnfilm P leicht eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f aufweisen kann. Aus dem oben genannten Grund sind eine niedrige relative Permittivität εr und eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f miteinander vereinbar, so dass der piezoelektrische Dünnfilm P einen größeren piezoelektrischen Leistungsindex (d33/εrε0) aufweisen kann. Im Fall, dass die FWHM der Rocking-Kurve RC weniger als 1,9° beträgt, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 nicht ausreichend geneigt, so dass der piezoelektrische Dünnfilm P nur schwer eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f aufweisen kann. Im Fall, dass die FWHM der Rocking-Kurve RC mehr als 5,5° beträgt, ist die kristalline Orientierung der ersten piezoelektrischen Schicht 3A übermäßig beeinträchtigt, so dass es für den piezoelektrischen Dünnfilm P schwierig ist, eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f zu erhalten.
  • Der obige Mechanismus ist eine Hypothese und der technische Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht durch den obigen Mechanismus begrenzt.
  • Der Abstand und die Orientierungsrichtung j eder Kristallebene des tetragonalen Kristalls 1, des tetragonalen Kristalls 2 und des unteren Kristalls 6c können auf der Grundlage eines Röntgenbeugungsmusters (XRD) des piezoelektrischen Dünnfilms P angegeben werden, wie es durch ein 2θ-θ-Verfahren in einer Richtung außerhalb der Ebene (Out-of-Plane) und einer Richtung innerhalb der Ebene (In-Plane) der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A gemessen wird. Die Kristallebene kann als Gitternetzebene bezeichnet werden.
  • Die Rocking-Kurve RC der gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wird durch ω-Abtastung in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A gemessen. Eine Übersicht zur ω-Abtastung ist in 4 gezeigt. Die ω-Abtastung ist eine Möglichkeit der Out-of-Plane-Messung. Bei der ω-Abtastung wird die Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A mit einfallendem Röntgenlicht aus einer Röntgenquelle XR bestrahlt. Eine Richtung d1 ist die Richtung der einfallenden Röntgenstrahlung. Die einfallende Röntgenstrahlung wird an der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, der in der ersten piezoelektrischen Schicht 3A enthalten ist, gebeugt und als gebeugte Röntgenstrahlung von einem Detektor D detektiert. Im Fall, dass ein Referenzpunkt als eine Position definiert ist, an der die Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A mit der einfallenden Röntgenstrahlung bestrahlt wird, ist eine Richtung d2 eine Richtung vom Referenzpunkt zum Detektor D. Das heißt, die Richtung d2 ist die Richtung des Detektors D in Bezug auf die Position, die mit der einfallenden Röntgenstrahlung bestrahlt wird. 2θ1 ist ein Beugungswinkel, bei dem die Intensität der gebeugten Röntgenstrahlen, die von der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrühren, einen Maximalwert erreicht. 2θ1 kann durch ein 2θ-θ-Verfahren in der Out-of-Plane-Richtung bestimmt werden. ω ist ein Winkel zwischen der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der Richtung d1 der einfallenden Röntgenstrahlung. Das heißt, ω ist ein Neigungswinkel der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A in Bezug auf die Richtung d1 der einfallenden Röntgenstrahlung. Die Einheit von ω ist Grad (°). Bei der ω-Abtastung wird der Winkel von der Richtung d1 und der Richtung d2 auf den Beugungswinkel 2θ1 festgelegt und die Intensität der gebeugten Röntgenstrahlung, die aus der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrührt, kontinuierlich mit einer Änderung von ω gemessen. Die Rocking-Kurve RC kann als die Neigungsverteilung der Intensität der von der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrührenden gebeugten Röntgenstrahlen angesehen werden.
  • 10 zeigt ein Beispiel für eine Rocking-Kurve RC der gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1. Die horizontale Achse der Rocking-Kurve RC stellt Δω dar. Die vertikale Achse der Rocking-Kurve RC stellt die Intensität der gebeugten Röntgenstrahlung dar. Die Einheit der Intensität des gebeugten Röntgenstrahls kann z. B. eine beliebige Einheit sein. Der Ursprung der horizontalen Achse der Rocking-Kurve RC entspricht dem ω (d. h. θ1), bei dem die Intensität der gebeugten Röntgenstrahlung, die von der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrührt, maximal ist. Im Fall, dass ω0 als das ω definiert ist, bei dem die Intensität der von der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrührenden gebeugten Röntgenstrahlen einen Maximalwert hat, ist die Rocking-Kurve RC eine Verteilung der Intensitäten der gebeugten Röntgenstrahlen in einem Bereich, in dem ω von (ω0 - Δω) bis (ω0 + Δω) beträgt. Die einfallende Röntgenstrahlung kann eine charakteristische Röntgenstrahlung sein (z. B. CuKα-Strahlung).
  • Der Abstand und die Orientierungsrichtung jeder Kristallebene des tetragonalen Kristalls 1, des tetragonalen Kristalls 2 und des unteren Kristalls 6c können durch reziproke Raumabbildung bestimmt werden. Das heißt, der tetragonale Kristall 1, der tetragonale Kristall 2 und der untere Kristall 6c können unter Verwendung einer reziproken Raumkarte des Röntgenbeugungsmusters erfasst und voneinander unterschieden werden. Die Karte des reziproken Raums kann als Karte der Intensitätsverteilung der gebeugten Röntgenstrahlen im reziproken Raum wiedergegeben werden. Die Karte des reziproken Raums kann beispielsweise durch Messung der Intensitäten der gebeugten Röntgenstrahlen des piezoelektrischen Dünnfilms P entlang zweier oder mehrerer Scan-Achsen erhalten werden, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus einer ω-Achse, einer ϕ-Achse, einer χ-Achse, einer 2θ-Achse und einer 2θχ-Achse besteht. Die reziproke Raumkarte kann beispielsweise eine zweidimensionale Karte in einem Koordinatensystem sein, das aus einer horizontalen Achse und einer vertikalen Achse besteht, die orthogonal zueinander sind. Die horizontale Achse der zweidimensionalen reziproken Raumkarte kann einen Wert darstellen, der dem Kehrwert der Gitterkonstanten in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A entspricht. Zum Beispiel kann die horizontale Achse der reziproken Raumkarte einen Wert darstellen, der dem Kehrwert (d. h. 1/a) eines Abstands „a“ der (100)-Ebenen entspricht. Die vertikale Achse der zweidimensionalen reziproken Raumkarte kann einen Wert darstellen, der dem Kehrwert der Gitterkonstante in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A entspricht. Beispielsweise kann die vertikale Achse der reziproken Raumkarte einen Wert darstellen, der dem Kehrwert (d. h. 1/c) eines Abstands „c“ der (001)-Ebenen entspricht. Die reziproke Raumkarte enthält eine Mehrzahl von Punkten. Ein Punkt entspricht dem gebeugten Röntgenlicht, das von einer Kristallebene eines Kristalls des tetragonalen Kristalls 1, des tetragonalen Kristalls 2 oder des unteren Kristalls 6c herrührt. Der Abstand und die Orientierungsrichtung einer Kristallebene eines Kristalls des tetragonalen Kristalls 1, des tetragonalen Kristalls 2 oder des unteren Kristalls 6c können anhand der Koordinate eines Punktes in der reziproken Raumkarte angegeben werden. 11 zeigt ein Beispiel einer reziproken Raumkarte des piezoelektrischen Dünnfilms P, der aus der unteren Schicht 6, der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A besteht. S3A-(204) in 11 ist ein Punkt, der einer (204)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 entspricht, der in der ersten piezoelektrischen Schicht 3A enthalten ist. S3B-(204) ist ein Punkt, der einer (204)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 entspricht, der in der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B enthalten ist. S6-(204) ist ein Punkt, der einer (204)-Ebene des unteren Kristalls 6c entspricht, der in der unteren Schicht 6 enthalten ist. S3A-(004) ist ein Punkt, der einer (004)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 entspricht, der in der ersten piezoelektrischen Schicht 3A enthalten ist. S3B-(004) ist ein Punkt, der einer (004)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 entspricht, der in der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B enthalten ist. S6-(004) ist ein Punkt, der einer (004)-Ebene des unteren Kristalls 6c entspricht, der in der unteren Schicht 6 enthalten ist.
  • Der Abstand aL der (100)-Ebenen des unteren Kristalls 6c, der in der unteren Schicht 6 enthalten ist, kann von 3,92 Å bis 4,29 Å oder von 3,93 Å bis 4,24 Å oder von 650 Å bis 3,940 Å oder von 3,73 Å bis 3,92 Å betragen. Im Fall, dass aL und a1 innerhalb der oben genannten Bereiche liegen, kann die Gitterfehlanpassungsrate Δa leicht innerhalb eines Bereichs von 3,0% bis 12,1% gesteuert werden.
  • Wie in 1B und 3B dargestellt kann die (001)-Ebene des unteren Kristalls 6c (Einheitszelle ucL), der in der unteren Schicht 6 enthalten ist, in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert sein. Im Fall, dass die (001)-Ebene des unteren Kristalls 6c (Einheitszelle ucL) in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert ist, kann die Gitterfehlanpassungsrate Δa leicht innerhalb eines Bereichs von 3,0% bis 12,1% gesteuert werden.
  • Der untere Kristall 6c, der in der unteren Schicht 6 enthalten ist, kann mindestens eine Verbindung ausgewählt aus Strontiumruthenat (SrRuO3), Bariumtitanat (BaTiOs) und Titannitrid (TiN) enthalten. Der untere Kristall 6c, der in der unteren Schicht 6 enthalten ist, kann aus einer Verbindung ausgewählt aus Strontiumruthenat, Bariumtitanat und Titannitrid bestehen. Im Fall, dass der in der unteren Schicht 6 enthaltene untere Kristall 6c mindestens eine Verbindung ausgewählt aus Strontiumruthenat, Bariumtitanat und Titannitrid enthält, kann die Gitterfehlanpassungsrate Δa leicht in einem Bereich von 3,0% bis 12,1% gesteuert werden.
  • Die kristalline Struktur des unteren Kristalls 6c, der aus Strontiumruthenat besteht, ist eine Struktur vom Perowskit-Typ. Der Abstand aL von (100)-Ebenen des unteren Kristalls 6c, der aus Strontiumruthenat besteht, beträgt etwa 3,93 Å. Der Abstand a1 von (100)-Ebenen eines herkömmlichen Dünnfilms (piezoelektrische Schicht), der aus Bleizirkonattitanat (PZT) besteht, beträgt mehr als 4,00 Ä. Der Abstand a1 von (100)-Ebenen eines herkömmlichen Dünnfilms (piezoelektrische Schicht) aus Bismutferrit (BiFeO3) beträgt etwa 3,96 Å. Daher ist Im Fall, dass die untere Schicht 6 aus Strontiumruthenat und die erste piezoelektrische Schicht aus Bleizirkonattitanat oder Bismutferrit besteht, die Gitterfehlanpassungsrate Δa ein negativer Wert. Wenn die Gitterfehlanpassungsrate Δa einen negativen Wert hat, ist die relative Permittivität εr des piezoelektrischen Dünnfilms P relativ niedrig, aber die FWHM der Rocking-Kurve RC ist klein, so dass es für den piezoelektrischen Dünnfilm P schwierig ist, einen großen piezoelektrischen Leistungsindex zu erreichen.
  • Die untere Schicht 6, die Strontiumruthenat enthält, ist elektrisch leitfähig. Im Fall, dass die untere Schicht 6 elektrisch leitfähig ist, kann die untere Schicht 6 als erste Elektrodenschicht 7 fungieren, und das piezoelektrische Dünnfilmelement 10 muss außer der unteren Schicht 6 keine weitere erste Elektrodenschicht 7 enthalten.
  • Die kristalline Struktur des unteren Kristalls 6c, der aus Bariumtitanat besteht, ist eine Struktur vom Perowskit-Typ. Der Abstand aL der (100)-Ebenen des unteren Kristalls 6c aus Bariumtitanat beträgt etwa 3,99 Å. Die kristalline Struktur des unteren Kristalls 6c aus Titannitrid ist eine Struktur vom Natriumchlorid-Typ (kubisch-flächenzentrierte Gitterstruktur). Der Abstand aL der (100)-Ebenen des unteren Kristalls 6c, der aus Titannitrid besteht, beträgt etwa 4,24 Ä. Der piezoelektrische Dünnfilm P, bei der die untere Schicht 6 aus einem Kristall aus mindestens einer Verbindung ausgewählt aus Bariumtitanat und Titannitrid besteht, hat wahrscheinlich einen größeren piezoelektrischen Leistungsindex als der piezoelektrische Dünnfilm P, bei der die untere Schicht 6 aus einem Kristall aus Strontiumruthenat besteht.
  • c2/a2 des in der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B enthaltenen tetragonalen Kristalls 2 kann kleiner sein als c1/a1 des in der ersten piezoelektrischen Schicht 3A enthaltenen tetragonalen Kristalls 1. Das heißt, die Anisotropie des tetragonalen Kristalls 2 kann geringer sein als die Anisotropie des tetragonalen Kristalls 1.
  • Im Fall, dass c1/a1 größer als c2/a2 ist, ist die relative Permittivität des tetragonalen Kristalls 1 niedriger als die relative Permittivität des tetragonalen Kristalls 2. Da jedoch c1/a1 größer als c2/a2 ist, ist die kristalline Struktur des tetragonalen Kristalls 1 stärker als die kristalline Struktur des tetragonalen Kristalls 2, und somit ist ein Atom im tetragonalen Kristall 1 schwerer zu bewegen als ein Atom im tetragonalen Kristall 2. Daher ist die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1 schwieriger als die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2, und die piezoelektrischen Eigenschaften des tetragonalen Kristalls 1 allein sind schlechter als die piezoelektrischen Eigenschaften des tetragonalen Kristalls 2 allein. Mit anderen Worten, Im Fall, dass c2/a2 kleiner als c1/a1 ist, ist die relative Permittivität des tetragonalen Kristalls 2 höher als die relative Permittivität des tetragonalen Kristalls 1, aber die kristalline Struktur des tetragonalen Kristalls 2 ist weicher als die kristalline Struktur des tetragonalen Kristalls 1, und daher ist das Atom im tetragonalen Kristall 2 leichter zu bewegen als das Atom im tetragonalen Kristall 1. Daher ist die Umkehrung der Polarisation des tetragonalen Kristalls 2 wahrscheinlicher als die Umkehrung der Polarisation des tetragonalen Kristalls 1.
  • Im Fall, dass c2/a2 kleiner als c1/a1 ist und das elektrische Feld an dem piezoelektrischen Dünnfilm P angelegt wird, wird die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B wahrscheinlich vor der Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1 in der ersten piezoelektrischen Schicht 3A stattfinden. Aufgrund der Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2, die der Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1 vorausgeht, wird die kristalline Struktur des tetragonalen Kristalls 1 an einer Grenzfläche von der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B instabil. Mit anderen Worten wird aufgrund der Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2 die Polarisation des tetragonalen Kristalls 1 an einer Grenzfläche von dem tetragonalen Kristall 1 und dem tetragonalen Kristall 2 wahrscheinlich schwanken. Beispielsweise wird aufgrund der Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B eine elektrische Ladung in der Oberfläche der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B von einer elektrischen Ladung in der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A an der Grenzfläche von der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B abgestoßen, und somit schwankt die Polarisation des tetragonalen Kristalls 1.
  • Aufgrund des oben beschriebenen Mechanismus induziert die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2 die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1. Das heißt, wenn die zweite piezoelektrische Schicht 3B als Pufferschicht angeordnet ist, die die Polarisationsumkehr der ersten piezoelektrischen Schicht 3A von der unteren Schicht 6 und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A fördert, wird die Polarisationsumkehr wahrscheinlich im gesamten piezoelektrischen Dünnfilm P auftreten. Infolgedessen sind die piezoelektrischen Eigenschaften des gesamten piezoelektrischen Dünnfilms P ausgezeichneter als die des tetragonalen Kristalls 1 allein, sowohl ein großes d33,f als auch ein niedriger εr sind leicht zu erreichen, und daher wird der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex haben.
  • Der obige Mechanismus in Bezug auf c1/a1 und c2/a2 ist eine Hypothese und der technische Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist durch den obigen Mechanismus nicht begrenzt.
  • Im Gegensatz zur piezoelektrischen Dünnfilm P ist die auf die Verspannung zurückzuführende Verformung der kristallinen Struktur im Bulk des piezoelektrischen Materials schwer zu erreichen. Daher sind die meisten Oxide vom Perowskit-Typ, die einen Bulk des piezoelektrischen Materials bilden, kubische Kristalle, und es besteht die Tendenz, dass es für den Bulk des piezoelektrischen Materials schwieriger als für den piezoelektrischen Dünnfilm P ist, piezoelektrische Eigenschaften zu haben, die dem tetragonalen Kristall des Oxids vom Perowskit-Typ zuzuschreiben sind.
  • c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 kann von 1,050 bis 1,250 oder von 1,063 bis 1,249 betragen. Im Fall, dass c1/a1 1,050 oder mehr beträgt, wird die relative Permittivität der ersten piezoelektrischen Schicht 3A, die den tetragonalen Kristall 1 und den piezoelektrischen Dünnfilm P enthält, wahrscheinlich abnehmen, und somit wird der piezoelektrische Leistungsindex des piezoelektrischen Dünnfilms P wahrscheinlich zunehmen. Im Fall, dass c1/a1 1,250 oder weniger beträgt, wird die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich auftreten, und somit wird der piezoelektrische Leistungsindex des piezoelektrischen Dünnfilms P wahrscheinlich steigen. Zum Beispiel kann c1 von 3,980 Å bis 4,750 Å betragen.
  • c2/a2 kann von 1,010 bis 1,110 oder von 1,014 bis 1,108 betragen. Im Fall, dass c2/a2 innerhalb des obigen Bereichs liegt, ist die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2 wahrscheinlicher als die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1, die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2 induziert wahrscheinlich die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1, und somit hat der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex. Wenn c2/a2 außerhalb des oben genannten Bereichs beträgt, ist die relative Permittivität des tetragonalen Kristalls 2 tendenziell zu hoch, oder die piezoelektrischen Eigenschaften des tetragonalen Kristalls 2 allein verschlechtern sich. Zum Beispiel kann c2 von 3,920 Å bis 4,390 Å betragen. a2 kann zum Beispiel von 3,890 Å bis 3,950 Å betragen.
  • Eine Größenbeziehung von cL, c1 und c2 und eine Größenbeziehung von aL, a1 und a2 kann durch Beobachtung eines Querschnitts des piezoelektrischen Dünnfilms P parallel zur Dickenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms P unter Verwendung eines Rastertransmissionselektronenmikroskops (RTEM) mit der Auflösung auf einem atomaren Niveaus bestimmt werden.
  • Um einen spezifischen Wert von c1 und c2 mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, können ein Peak P1 der gebeugten Röntgenstrahlen, die von der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrühren, und ein Peak P2 der gebeugten Röntgenstrahlen, die von der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 herrühren, durch Out-of-Plane-Messung (2θ-θ-Methode) in der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms P gemessen werden. Ein gemessenes Röntgenbeugungsmuster enthält sowohl den Peak P1 als auch den Peak P2. Im Fall, dass ein Beugungswinkel 2θ1 des Peaks P1 der gebeugten Röntgenstrahlen, die von der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrühren, nahe bei einem Beugungswinkel 2θ2 des Peaks P2 der gebeugten Röntgenstrahlen liegt, die von der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 herrühren, und ein Peak P3 gemessen wird, bei dem sich der Peak P1 und der Peak P2 überlappen, kann der Peak P1 durch eine Gaußfunktion g1 angenähert werden, der Peak P2 kann durch eine andere Gaußfunktion g2 angenähert werden, und es kann eine Kurvenanpassung von g1 + g2 und dem Peak P3 durchgeführt werden. Das nach der Kurvenanpassung erhaltene g1 kann als P1 betrachtet werden, und das nach der Kurvenanpassung erhaltene g2 kann als P2 betrachtet werden.
  • Um einen spezifischen Wert von a1 und a2 mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, können ein Peak P 1' der gebeugten Röntgenstrahlen, die von der (100)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrühren, und ein Peak P2' der gebeugten Röntgenstrahlen, die von der (100)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 herrühren, durch In-Plane-Messung (2θ-θ-Methode) in der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms P gemessen werden. Ein gemessenes Röntgenbeugungsmuster enthält sowohl den Peak P1' als auch den Peak P2'. Im Fall, dass ein Beugungswinkel 2θ1' des Peaks P1' der gebeugten Röntgenstrahlen, die von der (100)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 herrühren, nahe bei einem Beugungswinkel 2θ2' des Peaks P2' der gebeugten Röntgenstrahlen beträgt, die von der (100)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 herrühren, und ein Peak P3' gemessen wird, bei dem sich der Peak P1' und der Peak P2' überlappen, kann der Peak P1' durch eine Gaußfunktion G1 angenähert werden, der Peak P2' kann durch eine andere Gaußfunktion G2 angenähert werden, und es kann eine Kurvenanpassung von G1 + G2 und dem Peak P3' durchgeführt werden. Das nach der Kurvenanpassung erhaltene G1 kann als P 1' betrachtet werden, und das nach der Kurvenanpassung erhaltene G2 kann als P2' betrachtet werden.
  • Eine Peak-Intensität (maximale Intensität) der gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 ist I1. Eine Peak-Intensität (maximale Intensität) der gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist I2. I1/(I1+ I2) kann 0,90 oder mehr und weniger als 1,00 oder von 0,91 bis 0,99 betragen. Im Fall, dass I1/(I1+ I2) innerhalb der oben genannten Bereiche liegt, werden sowohl eine große piezoelektrische Dehnungskonstante (d33,f) als auch eine niedrige relative Permittivität (εr) leicht erreicht, so dass der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex hat. Eine Einheit von I1 und I2 kann z. B. cps (counts per second) sein. I1 und I2 können durch Out-of-Plane-Messung an der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A gemessen werden. Die Messbedingungen für I1 und I2 können so eingestellt werden, dass die Intensität von I1 und I2 mindestens im dreistelligen Bereich oder darüber hinaus über der Hintergrundintensität beträgt.
  • I1 kann proportional zur Gesamtfläche der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 sein, die in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert sind, und I2 kann proportional zur Gesamtfläche der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 sein, die in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert sind. Mit anderen Worten kann I1 proportional zur Menge des tetragonalen Kristalls 1 sein, der in dem piezoelektrischen Dünnfilm P enthalten ist, und I2 kann proportional zur Menge des tetragonalen Kristalls 2 sein, der in dem piezoelektrischen Dünnfilm P enthalten ist. Daher kann I1/(I1+ I2) ein Häufigkeitsverhältnis des tetragonalen Kristalls 1 in Bezug auf die Gesamtmenge des tetragonalen Kristalls 1 und des tetragonalen Kristalls 2 sein. Das heißt, das Häufigkeitsverhältnis des tetragonalen Kristalls 1 in Bezug auf die Gesamtmenge des tetragonalen Kristalls 1 und des tetragonalen Kristalls 2 kann 90% oder mehr und weniger als 100% betragen.
  • Der Grad der Orientierung jeder der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 kann durch den Orientierungsgrad quantifiziert werden. Wenn der Orientierungsgrad jeder der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 größer ist, hat der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex. Der Orientierungsgrad jeder Kristallebene kann auf der Grundlage eines Peaks der gebeugten Röntgenstrahlen berechnet werden, die von jeder Kristallebene herrühren. Der Peak der gebeugten Röntgenstrahlen, die von jeder Kristallebene herrühren, kann durch eine Out-of-Plane-Messung auf der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A gemessen werden.
  • Der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A kann als 100 × I1/ΣI1(hkl) dargestellt werden. ΣI1(hkl) ist die Summe der Peak-Intensitäten der gebeugten Röntgenstrahlen, die von den jeweiligen Kristallebenen des tetragonalen Kristalls 1 herrühren, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. ΣI1(hkl) kann z. B. I1(001) + I1(110) + I1(111) sein. I1(001) ist I1 wie oben beschrieben. Das heißt, I1(001) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) der gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. I1(110) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) der gebeugten Röntgenstrahlung einer (110)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. I1(111) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) der gebeugten Röntgenstrahlung einer (111)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A.
  • Der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 kann als 100 ×I2/ΣI2(hkl) dargestellt werden. ΣI2(hkl) ist die Summe der Peak-Intensitäten der gebeugten Röntgenstrahlen, die von den jeweiligen Kristallebenen des tetragonalen Kristalls 2 herrühren, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. ΣI2(hk1l kann z. B. I2(001) + I2(110) + I2(111) sein. I2(001) ist I2, wie oben beschrieben. Das heißt, I2(001) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) der gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. I2(110) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) der gebeugten Röntgenstrahlung einer (110)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. I2(111) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) der gebeugten Röntgenstrahlung einer (111)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A.
  • Der Orientierungsgrad jeder der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 kann durch einen Orientierungsgrad F auf der Grundlage einer Lotgering-Methode quantifiziert werden. Sogar im Falle der Berechnung des Orientierungsgrades durch eine der oben beschriebenen Methoden kann der Orientierungsgrad jeder der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 von 70% bis 100%, vorzugsweise von 80% bis 100% und besonders bevorzugt von 90% bis 100% betragen. Mit anderen Worten kann die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A vor den anderen Kristallebenen des tetragonalen Kristalls 1 orientiert sein, und die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 kann ebenfalls in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A vor den anderen Kristallebenen des tetragonalen Kristalls 2 orientiert sein.
  • Der tetragonale Kristall 1 oder der tetragonale Kristall 2 oder beide können Fe2+ enthalten. Im Fall, dass einer oder beide der tetragonalen Kristalle 1 und 2 Fe2+ enthalten, wird der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex aufweisen.
  • Im Fall, dass ein piezoelektrischer Dünnfilm auf der Basis von BiFeO3-(Bi,K)TiO3 eine Zusammensetzung nahe einer morphotropen Phasengrenze von einem tetragonalen und einem rhomboedrischen Kristall aufweist, werden die vom tetragonalen Kristall erhaltenen piezoelektrischen Eigenschaften (d33,f) verbessert, aber die Permittivität (ε0εr) wird ebenfalls erhöht, so dass der piezoelektrische Leistungsindex nur schwer zu verbessern ist. Um einen Anstieg der Permittivität zu unterdrücken, ist es wünschenswert, dass der piezoelektrische Dünnfilm aus einem tetragonalen Kristall gebildet ist, um die piezoelektrischen Eigenschaften (Ferroelektrizität) des piezoelektrischen Dünnfilms zu verbessern. Die Tetragonalität des piezoelektrischen Dünnfilms wird durch epitaktische Spannung (Druckspannung aufgrund von Gitterfehlanpassung) erreicht. Dies liegt daran, dass der piezoelektrische Dünnfilm aufgrund der epitaktischen Spannung parallel zur Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms in Richtungen (d. h. in Richtung der a-Achse und der b-Achse) parallel zur Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms zusammengedrückt wird und sich der piezoelektrische Dünnfilm dehnt. Mit zunehmender Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms ist es jedoch schwierig, die Tetragonalität des piezoelektrischen Dünnfilms allein durch die epitaktische Spannung zu verbessern. Dies liegt daran, dass es mit zunehmender Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms schwierig ist, den gesamten piezoelektrischen Dünnfilm durch die epitaktische Spannung zu dehnen. Da die Gitterfehlanpassungsrate Δa ein positiver Wert ist (von 3,0% bis 12,1%), wirken auf die erste piezoelektrische Schicht 3A und die zweite piezoelektrische Schicht 3B wahrscheinlich keine Druck- sondern Zugspannungen. Daher ist es selbst Im Fall, dass der piezoelektrische Dünnfilm so dick ist, dass die im piezoelektrischen Dünnfilm erzeugte epitaktische Spannung geschwächt ist und die Druckspannung nur schwer auf den piezoelektrischen Dünnfilm einwirken kann, wünschenswert, die tetragonale Kristallstruktur des piezoelektrischen Dünnfilms zu stabilisieren. In diesem Zusammenhang kann in einem oder beiden der tetragonalen Kristalle 1 und 2 das Ion an der B-Stelle durch Fe2+ ersetzt werden, so dass die Elektronenkonfiguration des Elements (Ions) an der B-Stelle des Oxids vom Perowskit-Typ der d6-Elektronenkonfiguration von Co3+ ähnlich wird, das BiCoO3 bildet. Infolgedessen wird die Tetragonalität des piezoelektrischen Dünnfilms P verbessert, selbst wenn der piezoelektrische Dünnfilm P so dick ist, dass epitaktische Spannungen im piezoelektrischen Dünnfilm P entstehen. Mit anderen Worten enthält selbst Im Fall, dass der piezoelektrische Dünnfilm P so dick ist, dass die im piezoelektrischen Dünnfilm P erzeugte epitaktische Spannung geschwächt ist, die erste piezoelektrische Schicht 3A wahrscheinlich den tetragonalen Kristall 1 und die zweite piezoelektrische Schicht 3B wahrscheinlich den tetragonalen Kristall 2.
  • Auch im Fall des Kompositsystems in der Nähe der MPB, in dem zu erwarten ist, dass ein rhomboedrischer Kristall im Bulk des piezoelektrischen Materials gebildet wird, kann ein BO6 Oktaeder (oder eine BO5 Pyramide) im tetragonalen Kristall, in dem ein Teil der B-Stelle durch Fe2+ ersetzt ist, rotieren (sich um die c-Achse drehen), aber die Polarisationsdrehung, die auf die Bildung eines pseudokubischen Kristalls zurückzuführen ist, wird unterdrückt. Mit anderen Worten ist es in einem Oxid vom Perowskit-Typ, in dem ein Teil der B-Stelle durch Fe2+ ersetzt ist, schwierig, eine MPB zu bilden, und die Polarisationsdrehung, bei der sich die Richtung der c-Achse des tetragonalen Kristalls ändert, ist schwer zu erreichen.
  • Durch den obigen Mechanismus werden Im Fall, dass ein oder beide tetragonalen Kristalle 1 und 2 Fe2+ enthalten, sowohl eine große piezoelektrische Dehnungskonstante (d33,f) als auch eine niedrige relative Permittivität (εr) leicht erreicht, und somit wird der piezoelektrische Leistungsindex wahrscheinlich steigen. Der obige Mechanismus in Bezug auf Fe2+ ist eine Hypothese, und der technische Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist nicht durch den obigen Mechanismus in Bezug auf Fe2+ begrenzt.
  • Im Gegensatz zum piezoelektrischen Dünnfilm P ist die Verformung der kristallinen Struktur, die auf die Verspannung zurückzuführen ist, im Bulk des piezoelektrischen Materials nur schwer möglich. Daher sind die meisten Oxide vom Perowskit-Typ, die einen Bulk des piezoelektrischen Materials bilden, kubische Kristalle, und es besteht die Tendenz, dass es für den Bulk des piezoelektrischen Materials schwieriger ist als für den piezoelektrischen Dünnfilm P, piezoelektrische Eigenschaften zu haben, die dem tetragonalen Kristall des Oxids vom Perowskit-Typ zuzuschreiben sind.
  • Eine Dicke des kristallinen Substrats 8, der Zwischenschicht 5, der ersten Elektrodenschicht 7, der unteren Schicht 6, der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B, der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der zweiten Elektrodenschicht 4 kann jeweils gleichmäßig sein.
  • Eine Dicke TL der unteren Schicht 6 in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A kann von 10 nm bis 350 nm betragen. Im Fall, dass die Dicke TL der unteren Schicht 6 innerhalb des obigen Bereichs liegt, lässt sich die Gitterfehlanpassungsrate Δa leicht in einem Bereich von 3,0% bis 12,1% steuern, und die FWHM der Rocking-Kurve RC lässt sich leicht in einem Bereich von 1,9° bis 5,5° steuern.
  • Eine Dicke T1 der ersten piezoelektrischen Schicht 3Ain der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A kann größer sein als eine Dicke T2 der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A. Die Dicke Tp des piezoelektrischen Dünnfilms P kann gleich der Summe aus der Dicke TL der unteren Schicht 6, der Dicke T1 der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der Dicke T2 der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B sein. Die Dicke Tp des piezoelektrischen Dünnfilms P kann von 510 nm bis 5350 nm oder von 590 nm bis 5100 nm betragen. Die Dicke T1 der ersten piezoelektrischen Schicht 3A kann von 490 nm bis 4700 nm oder von 500 nm bis 4920 nm betragen. Die Dicke T2 der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B kann von 10 nm bis 300 nm oder von 10 nm bis 290 nm betragen. Im Fall, dass die Dicke T2 der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B 10 nm oder mehr beträgt, ist es wahrscheinlich, dass die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2 in der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1 in der ersten piezoelektrischen Schicht 3A induziert. Infolgedessen wird der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex aufweisen. Wenn die Dicke T2 der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B 300 nm oder weniger beträgt, wird die relative Permittivität des piezoelektrischen Dünnfilms P wahrscheinlich abnehmen und somit wird der piezoelektrische Leistungsindex des piezoelektrischen Dünnfilms P wahrscheinlich zunehmen. Selbst wenn die Dicke Tp des piezoelektrischen Dünnfilms P 510 nm oder mehr beträgt und der piezoelektrische Dünnfilm P dick ist, wird der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex aufweisen, indem ein Ion, das sich an der B-Stelle des Oxids vom Perowskit-Typ befindet, durch Fe2+ ersetzt wird. Wenn die Dicke Tp des piezoelektrischen Dünnfilms P auf 5350 nm oder weniger eingestellt wird, lassen sich der tetragonale Kristall 1 und der tetragonale Kristall 2 unabhängig von der epitaktischen Spannung leicht ausbilden, so dass der piezoelektrische Dünnfilm P wahrscheinlich einen hohen piezoelektrischen Leistungsindex aufweist.
  • TL, T1, T2 und Tp sind nicht auf die oben genannten Bereiche beschränkt. Die Messmethoden für TL, T1, T2 und Tp sind nicht begrenzt. Beispielsweise kann die Dicke Tp des piezoelektrischen Dünnfilms P mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) im Querschnitt des piezoelektrischen Dünnfilms P parallel zur Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A gemessen werden. Die untere Schicht 6, die erste piezoelektrische Schicht 3A und die zweite piezoelektrische Schicht 3B können im Querschnitt des piezoelektrischen Dünnfilms P auf der Grundlage eines Unterschieds in der Zusammensetzung oder der Größenverhältnisse von cL/aL, c1/a1und c2/a2 voneinander unterschieden werden. TL, T1 und T2 können mit dem REM im Querschnitt des piezoelektrischen Dünnfilms P gemessen werden.
  • Der tetragonale Kristall 1 kann durch die nachstehende chemische Formel 1 repräsentiert werden. Die nachstehende chemische Formel 1 ist im Wesentlichen die gleiche wie die nachstehende chemische Formel 1a. x1(Bi1-αEA α)EBO3-y1BiFeO3-z1Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (1) (Bix1(1-α)+y1+z1EA x1α)(EB x1Fey1+0.5z1Ti0.5z1)O3±δ (1a)
  • x1+ y1 + z1 in der obigen chemischen Formel 1 kann 1,00 sein. EA in der obigen chemischen Formel 1 ist das oben beschriebene Element. EB in der obigen chemischen Formel 1 ist das oben beschriebene Element.
  • Bi, das (Bi1-αEAα)EBO3 in der obigen chemischen Formel 1 bildet, ist dreiwertiges Bi (Bi3+) oder fünfwertiges Bi (Bi5+). Die Summe der Valenzen (Ionenvalenzen) von EA, die (Bi1-αEAα)EBO3 in der obigen chemischen Formel 1 bilden, wird durch VA repräsentiert. Die Summe der Valenzen (Ionenvalenzen) von EB, die (Bi1-αEAα)EBO3 bilden, wird durch VB repräsentiert. Die Summe der Valenzen von Bi, EA und EB, die (Bi1-αEA α)EBO3 in der chemischen Formel 1 bilden, wird durch 3(1 - α) + VAα + VB oder 5(1 - α) + VAα + VB repräsentiert. 3(1 - α) + VAα + VB oder 5(1 - α) + VAα + VB kann +6 sein, was mit der Summe (-6) der Valenzen (Ionenvalenzen) von O ausgeglichen ist. 3(1 - α) + VAα oder 5(1 - α) + VAα kann +3 sein. VB kann +3 sein. Im Fall, dass zwei Elemente, die dem Element EB in der obigen chemischen Formel 1 entsprechen, durch ein Element EB1 und ein Element EB2 repräsentiert werden, ist die obige chemische Formel 1 im Wesentlichen die gleiche wie die nachstehende chemische Formel 1'. β in der nachstehenden chemischen Formel 1' kann von 0,00 bis 1,00 betragen. Die Valenz (Ionenvalenz) von EB1 wird durch VB1 repräsentiert. Die Valenz (Ionenvalenz) von EB2 wird durch VB2 repräsentiert. Die Summe VB der Valenzen (Ionenvalenzen) von EB wird durch (1 - β)VB1 +βVB2 repräsentiert.
    (1 - β)VB1 +βVB2 kann +3 sein. x1(Bi1-αEA α)(EB1 1-βEB2 β)O3-y1BiFeO3-z1Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (1′)
  • Bix1(1-α)+y1+z1EA x1α in der obigen chemischen Formel 1a entspricht Elementen, die sich an der A-Stelle der Perowskitstruktur befinden. EB x1Fey1+0.5z1Ti0.5z1 in der chemischen Formel 1a entspricht Elementen, die sich an der B-Stelle der Perowskitstruktur befinden.
  • Fe, das y1BiFeO3 in der obigen chemischen Formel 1 bildet, hat eine Valenz von 3, aber Fe, das z1Bi(Fe0.5 i0.5)O3 in der obigen chemischen Formel 1 bildet, hat eine Valenz von 2. Daher wird die Zusammensetzung eines Rohmaterials für die erste piezoelektrische Schicht 3A so angepasst, dass das Molverhältnis von Bi, EA, EB, Fe und Ti im gesamten Rohmaterial für die erste piezoelektrische Schicht 3A mit dem Molverhältnis von Bi, EA, EB, Fe und Ti in der obigen chemischen Formel 1 übereinstimmt, und somit kann der tetragonale Kristall 1 Fe2+ enthalten.
  • x1 in der obigen chemischen Formel 1 kann von 0,10 bis 0,90, von 0,10 bis 0,85 oder von 0,15 bis 0,85 betragen. Im Fall, dass x1 von 0,10 bis 0,90 beträgt, wird der tetragonale Kristall 1 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweisen, c1/a1 wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen, die Gitterfehlanpassungsrate Δa wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen und die FWHM der Rocking-Kurve RC wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen.
  • y1 in der obigen chemischen Formel 1 kann von 0,05 bis 0,85 oder von 0,05 bis 0,80 betragen. Im Fall, dass y1 von 0,05 bis 0,85 beträgt, wird der tetragonale Kristall 1 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweisen, c1/a1 wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen, die GitterfehlanpassungsrateΔ a wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen und die FWHM der Rocking-Kurve RC wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen.
  • z1 in der obigen chemischen Formel 1 kann von 0,05 bis 0,85 oder von 0,05 bis 0,80 betragen. Im Fall, dass z1 von 0,05 bis 0,85 beträgt, wird der tetragonale Kristall 1 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweisen, c1/a1 wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen, die GitterfehlanpassungsrateΔ a wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen und die FWHM der Rocking-Kurve RC wird wahrscheinlich in den obigen Bereich fallen.
  • α in der obigen chemischen Formel 1 kann 0,00 oder mehr sowie weniger als 1,00 betragen. Unter dem Gesichtspunkt, dass der tetragonale Kristall 1 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweist, fällt c1/a1 wahrscheinlich in den oben genannten Bereich, die Gitterfehlanpassungsrate Δa fällt wahrscheinlich in den oben genannten Bereich und die FWHM der Rocking-Kurve RC fällt wahrscheinlich in den oben genannten Bereich, kann α 0,50 sein. Wie oben beschrieben, kann β in der obigen chemischen Formel 1' von 0,00 bis 1,00 oder mehr als 0,00 und weniger als 1,00 betragen. Unter den Gesichtspunkten, dass der tetragonale Kristall 1 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweist, c1/a1 wahrscheinlich in den obigen Bereich fällt, die Gitterfehlanpassungsrate Δa wahrscheinlich in den obigen Bereich fällt und die FWHM der Rocking-Kurve RC wahrscheinlich in den obigen Bereich fällt, kann β 0,50 sein.
  • δ in der obigen chemischen Formel 1a kann 0 oder mehr sein. δ kann ein anderer Wert als 0 sein, solange die kristalline Struktur (Perowskitstruktur) des tetragonalen Kristalls 1 erhalten bleibt. Beispielsweise kann δ größer als 0 sowie 1,0 oder kleiner sein. δ kann beispielsweise aus der Valenz der einzelnen Ionen berechnet werden, die sich jeweils an der A-Stelle und der B-Stelle des tetragonalen Kristalls 1 befinden. Die Valenz der einzelnen Ionen kann mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen werden.
  • Der Gesamtwert der Molzahlen von Bi und EA, die in dem tetragonalen Kristall 1 enthalten sind, kann durch [A]1 repräsentiert werden, der Gesamtwert der Molzahlen von Fe, Ti und EB, die in dem tetragonalen Kristall 1 enthalten sind, kann durch [B]1 repräsentiert werden, und [A]1/[B]1 kann 1,0 sein. [A]1/[B]1 kann ein anderer Wert als 1,0 sein, solange die kristalline Struktur (Perowskit-Struktur) des tetragonalen Kristalls 1 erhalten bleibt. Das heißt, [A]1/[B]1 kann kleiner als 1,0 sein, oder [A]1/[B]1 kann größer als 1,0 sein.
  • Der tetragonale Kristall 2 kann durch die nachstehende chemische Formel 2 repräsentiert werden. Die nachstehende chemische Formel 2 ist im Wesentlichen die gleiche wie die nachstehende chemische Formel 2a. x2(Bi1-αEA α)EBO(3-y2BiFeO3-z2Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (2) (Bix2(1-α)+y2+z2EA x2α)(EB x2Fey2+0.5z2Ti0.5z2)O3±δ (2a)
  • x2 + y2 + z2 in der obigen chemischen Formel 2 kann 1,00 sein. EA in der obigen chemischen Formel 2 ist das oben beschriebene Element. EB in der obigen chemischen Formel 2 ist das oben beschriebene Element. EA in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von EA in der obigen chemischen Formel 1. EB in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von EB in der obigen chemischen Formel 1. Die Valenz der einzelnen Elemente in der obigen chemischen Formel 2 kann mit der Valenz der einzelnen Elemente in der obigen chemischen Formel 1 identisch sein. Im Fall, dass zwei Elemente, die dem Element EB in der obigen chemischen Formel 2 entsprechen, durch ein Element EB1 und ein Element EB2 repräsentiert werden, ist die obige chemische Formel 2 im Wesentlichen die gleiche wie die nachstehende chemische Formel 2'. β in der nachstehenden chemischen Formel 2' kann von 0,00 bis 1,00 betragen. x2(Bi1-αEA α)(EB1 1-βEB2 β)O3-y2BiFeO3-z2Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (2′)
  • Bix2(1-α)+y2+z2EA x2α in der obigen chemischen Formel 2a entspricht den Elementen, die sich an der A-Stelle der Perowskitstruktur befinden. EB x2Fey2+0.5z2TiO.5z2 in der chemischen Formel 2a entspricht Elementen, die sich an der B-Stelle der Perowskitstruktur befinden.
  • Fe, das y2BiFeO3 in der obigen chemischen Formel 2 bildet, hat eine Valenz von 3, aber Fe, das z2Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 in der obigen chemischen Formel 2 bildet, hat eine Valenz von 2. Daher wird die Zusammensetzung eines Rohmaterials für die zweite piezoelektrische Schicht 3B so angepasst, dass das molare Verhältnis von Bi, EA,EB, Fe und Ti im gesamten Rohmaterial für die zweite piezoelektrische Schicht 3B mit dem molaren Verhältnis von Bi, EA,EB, Fe und Ti in der obigen chemischen Formel 2 übereinstimmt, und somit kann der tetragonale Kristall 2 Fe2+ enthalten.
  • x2 in der obigen chemischen Formel 2 kann von 0,10 bis 0,85, von 0,10 bis 0,80 oder von 0,10 bis 0,70 betragen. Im Fall, dass x2 von 0,10 bis 0,85 beträgt, wird der tetragonale Kristall 2 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweisen, und c2/a2 wird wahrscheinlich in den oben genannten Bereich fallen.
  • y2 in der obigen chemischen Formel 2 kann von 0,10 bis 0,85 betragen. Im Fall, dass y2 von 0,10 bis 0,85 beträgt, hat der tetragonale Kristall 2 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung, und c2/a2 fällt wahrscheinlich in den oben genannten Bereich.
  • z2 in der obigen chemischen Formel 2 kann von 0,05 bis 0,80 betragen. Im Fall, dass z2 von 0,05 bis 0,80 beträgt, wird der tetragonale Kristall 2 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweisen, und c2/a2 wird wahrscheinlich in den oben genannten Bereich fallen.
  • α in der obigen chemischen Formel 2 kann 0,00 oder mehr sowie weniger als 1,00 betragen. Unter dem Gesichtspunkt, dass der tetragonale Kristall 2 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweist und c2/a2 wahrscheinlich in den oben genannten Bereich fällt, kann α 0,50 betragen. Wie oben beschrieben, kann β in der obigen chemischen Formel 2' von 0,00 bis 1,00 oder mehr als 0,00 und weniger als 1,00 betragen. Unter dem Gesichtspunkt, dass der tetragonale Kristall 2 wahrscheinlich die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweist und c2/a2 wahrscheinlich in den oben genannten Bereich fällt, kann β 0,50 sein.
  • δ in der obigen chemischen Formel 2a kann 0 oder mehr sein. δ kann ein anderer Wert als 0 sein, solange die kristalline Struktur (Perowskitstruktur) des tetragonalen Kristalls 2 erhalten bleibt. Beispielsweise kann δ größer als 0 sowie 1,0 oder kleiner sein. δ kann beispielsweise aus der Valenz der einzelnen Ionen berechnet werden, die sich jeweils an der A-Stelle und der B-Stelle des tetragonalen Kristalls 2 befinden. Die Valenz der einzelnen Ionen kann mit einem XPS-Verfahren gemessen werden.
  • Der Gesamtwert der Molzahlen von Bi und EA, die in dem tetragonalen Kristall 2 enthalten sind, kann durch [A]2 repräsentiert werden, der Gesamtwert der Molzahlen von Fe, Ti und EB, die in dem tetragonalen Kristall 2 enthalten sind, kann durch [B]2 repräsentiert werden, und [A]2/[B]2 kann 1,0 sein. [A]2/[B]2 kann ein anderer Wert als 1,0 sein, solange die kristalline Struktur (Perowskit-Struktur) des tetragonalen Kristalls 2 erhalten bleibt. Das heißt, [A]2/[B]2 kann kleiner als 1,0 sein, oder [A]2/[B]2 kann größer als 1,0 sein.
  • Der tetragonale Kristall 1 kann durch die nachstehende chemische Formel 1w repräsentiert werden. EA in der nachstehenden chemischen Formel 1w ist das oben beschriebene Element. EB in der nachstehenden chemischen Formel 1w ist das oben beschriebene Element. w1 in der nachstehenden chemischen Formel 1w kann von 0,30 bis 0,80 betragen. α in der nachstehenden chemischen Formel 1w kann 0,00 oder mehr und weniger als 1,00 betragen. (1-w1)Bi1-αEA αEBO3-w1BiFeO3 (1w)
  • Der tetragonale Kristall 2 kann durch die nachstehende chemische Formel 2w repräsentiert werden. EA in der nachstehenden chemischen Formel 2w ist das oben beschriebene Element. EB in der nachstehenden chemischen Formel 2w ist das oben beschriebene Element. w2 in der nachstehenden chemischen Formel 2w kann von 0,30 bis 0,80 betragen. α in der nachstehenden chemischen Formel 2w kann 0,00 oder mehr und weniger als 1,00 betragen. EA in der nachstehenden chemischen Formel 2w kann gleich oder verschieden sein von EA in der obigen chemischen Formel 1w. EB in der nachstehenden chemischen Formel 2w kann gleich oder verschieden sein von EB in der vorstehenden chemischen Formel 1w. (1-w2)Bi1-αEA αEBO3-w2BiFeO3 (2w)
  • Der piezoelektrische Dünnfilm P kann eine Epitaxieschicht sein. Das heißt, der piezoelektrische Dünnfilm P kann durch epitaktisches Wachstum gebildet werden. Der piezoelektrische Dünnfilm P mit hervorragender Anisotropie und kristalliner Orientierung lässt sich leicht durch epitaktisches Wachstum herstellen.
  • Die Fläche der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A kann z. B. von 1 µm2 bis 500 mm2 betragen. Die Fläche des kristallinen Substrats 8, der Zwischenschicht 5, der ersten Elektrodenschicht 7, der unteren Schicht 6, der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B und der zweiten Elektrodenschicht 4 kann dieselbe sein wie die Fläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A.
  • Die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms P kann beispielsweise durch ein Röntgenfluoreszenzanalyseverfahren (XRF), eine Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) und ein Röntgenphotoelektronenspektroskopieverfahren (XPS) analysiert werden. Um die Zusammensetzung und die Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht 3A und der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B zu bestimmen, kann die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms P in Richtung der Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms P mittels eines XPS-Verfahrens analysiert werden. Beispielsweise kann die Zusammensetzung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms P kontinuierlich mit einem XPS-Verfahren gemessen werden, während die Dicke Tp des piezoelektrischen Dünnfilms P durch Ionenfräsen oder Sputtern der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms P gleichmäßig verringert wird. Die Zusammensetzung des Querschnitts des piezoelektrischen Dünnfilms P kann entlang der Dickenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms P analysiert werden. Bei der Analyse der Zusammensetzung des Querschnitts des piezoelektrischen Dünnfilms P entlang der Dickenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms P kann ein energiedispersiver Röntgenanalysator (EDX) verwendet werden, der in ein Rasterelektronenmikroskop (REM) oder ein Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM) integriert ist. Die kristalline Struktur und die kristalline Orientierung jeder der ersten piezoelektrischen Schicht 3Aund der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B können durch die oben beschriebene Röntgenbeugungsmethode (XRD) bestimmt werden. Die kristalline Struktur und die kristalline Orientierung jeder der unteren Schicht 6, der ersten piezoelektrischen Schicht 3Aund der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B, die oben beschrieben sind, können eine kristalline Struktur und eine kristalline Orientierung bei Normaltemperatur sein.
  • Im Fall, dass der piezoelektrische Dünnfilm P aus der unteren Schicht 6 und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A besteht, die direkt auf die untere Schicht 6 gestapelt ist, wird die erste piezoelektrische Schicht 3A direkt auf der Oberfläche der unteren Schicht 6 durch einen ersten Filmbildungsschritt gebildet.
  • Im Fall, dass der piezoelektrische Dünnfilm P aus der unteren Schicht 6, der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B, die direkt auf die untere Schicht 6 gestapelt ist, und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A, die direkt auf die zweite piezoelektrische Schicht 3B gestapelt ist, besteht, wird die zweite piezoelektrische Schicht 3B direkt auf der Oberfläche der unteren Schicht 6 durch einen zweiten Filmbildungsschritt gebildet, und die erste piezoelektrische Schicht 3A wird direkt auf der Oberfläche der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B durch den ersten Filmbildungsschritt im Anschluss an den zweiten Filmbildungsschritt gebildet.
  • Das Herstellungsverfahren für die untere Schicht 6 kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coat-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein.
  • Im ersten Filmbildungsschritt wird die erste piezoelektrische Schicht 3A durch ein Pulslaserdepositionsverfahren (PLD) unter Verwendung eines ersten Targets gebildet. Das erste Target ist ein Ausgangsmaterial für die erste piezoelektrische Schicht 3A. Das erste Target kann aus allen Elementen gebildet sein, die mit denen der ersten piezoelektrischen Schicht 3A (tetragonaler Kristall 1) gemeinsam sind. Die Zusammensetzung des ersten Targets kann so angepasst werden, dass das Molverhältnis der einzelnen Elemente, aus denen das erste Target besteht, mit dem Molverhältnis der einzelnen Elemente, aus denen die erste piezoelektrische Schicht 3A (tetragonaler Kristall 1) besteht, übereinstimmt. Zum Beispiel kann das Molverhältnis jedes Elements, aus dem das erste Target gebildet ist, mit dem Molverhältnis jedes Elements der obigen chemischen Formel 1 oder 1' übereinstimmen.
  • Im zweiten Filmbildungsschritt wird die zweite piezoelektrische Schicht 3B direkt auf der Oberfläche der unteren Schicht 6 durch ein PLD-Verfahren unter Verwendung eines zweiten Targets gebildet. Das zweite Target ist ein Rohmaterial für die zweite piezoelektrische Schicht 3B. Das zweite Target kann aus allen Elementen zusammengesetzt sein, die mit denen der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B (tetragonaler Kristall 2) gemeinsam sind. Die Zusammensetzung des zweiten Targets kann so angepasst werden, dass das Molverhältnis der einzelnen Elemente, aus denen das zweite Target besteht, mit dem Molverhältnis der einzelnen Elemente, aus denen die zweite piezoelektrische Schicht 3B (tetragonaler Kristall 2) besteht, übereinstimmt. Beispielsweise kann das Molverhältnis jedes Elements, aus dem das zweite Target gebildet ist, mit dem Molverhältnis jedes Elements der obigen chemischen Formel 2 oder 2' übereinstimmen.
  • Bei der PLD-Methode wird das Target mit gepulstem Laserlicht (z. B. Excimer-Laser) bestrahlt, so dass das Element, aus dem das Target besteht, in einen Plasmazustand umgewandelt wird und verdampft. Bei der PLD-Methode kann jedes Element, aus dem das Target besteht, in einem Moment gleichmäßig in einen Plasmazustand umgewandelt werden. Infolgedessen wird das Molverhältnis jedes Elements in jeder piezoelektrischen Schicht wahrscheinlich im Wesentlichen mit dem Molverhältnis jedes Elements in jedem Target übereinstimmen, und die Entmischung des Elements in jeder piezoelektrischen Schicht wird leicht unterdrückt. Darüber hinaus wird bei der PLD-Methode jede piezoelektrische Schicht leicht epitaktisch gezüchtet, so dass jede piezoelektrische Schicht, die auf atomarer Ebene dicht ist, leicht gebildet wird. Bei der PLD-Methode können die Wachstumsrate jeder piezoelektrischen Schicht sowie die Anisotropie und die kristalline Ausrichtung des tetragonalen Kristalls, aus dem jede piezoelektrische Schicht gebildet wird, durch Änderung der Anzahl der Pulse (Wiederholungsfrequenz) des gepulsten Laserlichts gesteuert werden. Mit einer Verringerung der Wiederholungsfrequenz des Pulslaserlichts nimmt die Wachstumsrate jeder piezoelektrischen Schicht ab, und die Anisotropie und die kristalline Ausrichtung des tetragonalen Kristalls, aus dem jede piezoelektrische Schicht gebildet wird, werden verstärkt.
  • Eine Wiederholungsfrequenz f1 des gepulsten Laserlichts im ersten Schichtbildungsschritt ist kleiner als eine Wiederholungsfrequenz f2 des gepulsten Laserlichts im zweiten Schichtbildungsschritt. Wenn f1 kleiner als f2 ist, kann der piezoelektrische Dünnfilm P gebildet werden, bei der c2/a1 des tetragonalen Kristalls 1 größer als c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2 ist.
  • Die Wiederholungsfrequenz f1 des gepulsten Laserlichts im ersten Schichtbildungsschritt kann 10 Hz betragen. Durch Einstellen von f1 auf 10 Hz lässt sich c2/a1 des tetragonalen Kristalls 1, der in der ersten piezoelektrischen Schicht 3A enthalten ist, eicht innerhalb eines Bereichs von 1,050 bis 1,250 steuern.
  • Die Wiederholungsfrequenz f2 des gepulsten Laserlichts im zweiten Schichtbildungsschritt kann 20 Hz betragen. Durch Einstellen von f2 auf 20 Hz lässt sich c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2, der in der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B enthalten ist, leicht innerhalb eines Bereichs von 1,010 bis 1,050 steuern.
  • Das erste Target und das zweite Target können gemäß dem folgenden Verfahren getrennt hergestellt werden.
  • Als Ausgangsmaterial für jedes Target kann z. B. ein Oxid von Bi, EA, EB, Fe und Ti verwendet werden. Als Ausgangsmaterial kann anstelle eines Oxids auch eine Substanz verwendet werden, die durch Sintern zu einem Oxid wird, wie z. B. ein Carbonat oder Oxalat. Nachdem diese Ausgangsmaterialien ausreichend bei 100°C oder höher getrocknet sind, wird jedes Ausgangsmaterial gewogen, so dass das Molverhältnis von Bi, EA, EB, Fe und Ti mit dem Molverhältnis jedes Elements in jeder piezoelektrischen Schicht übereinstimmt. Im ersten und zweiten Filmbildungsschritt verflüchtigt sich das Bi im Target im Vergleich zu anderen Elementen wahrscheinlich. Daher kann das molare Verhältnis von Bi in jedem Target auf einen Wert eingestellt werden, der höher ist als das molare Verhältnis von Bi in jeder piezoelektrischen Schicht. Bei der Verwendung eines K-haltigen Rohmaterials als EA im ersten und zweiten Filmbildungsschritt verflüchtigt sich K im Target im Vergleich zu anderen Elementen wahrscheinlich. Daher kann das molare Verhältnis von K in jedem Target auf einen Wert eingestellt werden, der höher ist als das molare Verhältnis von K in jeder piezoelektrischen Schicht.
  • Die gewogenen Ausgangsstoffe werden in einem organischen Lösungsmittel oder Wasser ausreichend gemischt. Die Mischzeit kann von 5 bis 20 Stunden betragen. Die Mischvorrichtung kann beispielsweise eine Kugelmühle sein. Die nach dem Mischen erhaltenen Ausgangsstoffe werden ausreichend getrocknet, und dann werden die Ausgangsstoffe mit einer Pressmaschine geformt. Die geformten Ausgangsstoffe werden kalziniert, um ein kalziniertes Produkt zu erhalten. Die Kalzinierungstemperatur kann von 750°C bis 900°C betragen. Die Kalzinierungszeit kann von 1 bis 3 Stunden betragen. Das kalzinierte Produkt wird in einem organischen Lösungsmittel oder in Wasser pulverisiert. Die Pulverisierungszeit kann von 5 bis 30 Stunden betragen. Das Pulverisierungsmittel kann eine Kugelmühle sein. Nachdem das so pulverisierte kalzinierte Produkt getrocknet ist, wird ein Pulver des kalzinierten Produkts durch Granulieren des kalzinierten Produkts mit einer Bindemittellösung erhalten. Das Pulver des kalzinierten Produkts wird einer Pressformung unterzogen, um einen blockförmigen Formkörper zu erhalten.
  • Das Bindemittel im Formkörper verflüchtigt sich durch Erhitzen des blockförmigen Formkörpers. Die Erhitzungstemperatur kann von 400°C bis 800°C betragen. Die Erhitzungszeit kann von 2 bis 4 Stunden betragen.
  • Nach der Verflüchtigung des Bindemittels wird der Formkörper gesintert. Die Sintertemperatur kann von 800°C bis 1100°C betragen. Die Sinterzeit kann von 2 bis 4 Stunden betragen. Die Temperaturerhöhungsrate und Temperatursenkungsrate des Formkörpers im Sinterprozess kann beispielsweise von 50°C/Std. bis 300°C/Std. betragen.
  • Das erste Target und das zweite Target werden getrennt durch die oben genannten Schritte hergestellt. Die durchschnittliche Korngröße der Kristallkörner des in jedem Target enthaltenen Oxids (Oxid vom Perowskit-Typ) kann beispielsweise von 1 µm bis 20 µm betragen. Jedes Target enthält Fe3+, aber jedes Target muss nicht unbedingt Fe2+ enthalten. Im ersten Filmbildungsschritt wird ein Teil des Fe3+ aus dem ersten Target reduziert, so dass die erste piezoelektrische Schicht 3A, die Fe2+ enthält, erhalten werden kann. Im zweiten Filmbildungsschritt wird ein Teil des Fe3+, das vom zweiten Target stammt, reduziert, so dass die zweite piezoelektrische Schicht 3B, die Fe2+ enthält, erhalten werden kann.
  • Im ersten Filmbildungsschritt werden Elemente, die das erste Target bilden, in einer Vakuumatmosphäre durch das PLD-Verfahren verdampft. Die aufgedampften Elemente werden auf der Oberfläche der unteren Schicht 6 oder der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B aufgebracht und abgeschieden, um die erste piezoelektrische Schicht 3A zu bilden.
  • Im zweiten Filmbildungsschritt werden die Elemente, die das zweite Target bilden, in einer Vakuumatmosphäre durch das PLD-Verfahren verdampft. Die aufgedampften Elemente werden auf der Oberfläche der unteren Schicht 6 aufgebracht und abgeschieden, um die zweite piezoelektrische Schicht 3B zu bilden.
  • Im ersten Filmbildungsschritt kann die erste piezoelektrische Schicht 3A in einer Vakuumkammer gebildet werden, während das Innere der Vakuumkammer erhitzt wird. Beispielsweise kann die Temperatur (Filmbildungstemperatur) in der Vakuumkammer von 450°C bis 600°C betragen. Wenn die Filmbildungstemperatur 450°C oder höher ist, wird ein Teil des Fe3+, das vom ersten Target stammt, leicht reduziert, und somit wird die erste piezoelektrische Schicht 3A, die Fe2+ enthält, leicht gebildet. Im Fall, dass die Filmbildungstemperatur unter 450°C beträgt, ist das vom Target stammende Fe3+ nur schwer zu reduzieren, so dass die erste piezoelektrische Schicht 3A, die Fe2+ enthält, schwer zu erhalten ist. Mit zunehmender Filmbildungstemperatur wird die Sauberkeit der Oberfläche der unteren Schicht 6 oder der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B verbessert und somit die Kristallinität der ersten piezoelektrischen Schicht 3A erhöht, so dass der Orientierungsgrad der Kristallebene des tetragonalen Kristalls 1 leicht erhöht werden kann. Im Fall, dass die Filmbildungstemperatur übermäßig hoch ist, wird jedes Element, das die erste piezoelektrische Schicht 3A bildet, übermäßig reduziert, und daher ist es schwierig, die erste piezoelektrische Schicht 3A mit einer gewünschten Zusammensetzung zu erhalten. Weiterhin ist es im Fall, dass die Filmbildungstemperatur übermäßig hoch ist, wahrscheinlich, dass Bi oder K von der ersten piezoelektrischen Schicht 3A desorbiert wird, und somit ist die Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht 3A schwer zu kontrollieren.
  • Der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer kann beispielsweise von 0,1 Pa bis 3,0 Pa, vorzugsweise von 0,1 Pa bis 1,0 Pa und noch bevorzugter von 0,1 bis 0,5 Pa betragen. Wenn der Sauerstoffpartialdruck innerhalb der oben genannten Bereiche gehalten wird, wird ein Teil des vom Target stammenden Fe3+ leicht reduziert, und somit wird die erste piezoelektrische Schicht 3A, die Fe2+ enthält, leicht gebildet. Im Fall, dass der Sauerstoffpartialdruck übermäßig niedrig ist, ist es schwierig, jedes Element, das aus dem Target stammt, ausreichend zu oxidieren, und daher ist es schwierig, das Oxid vom Perowskit-Typ zu bilden, so dass der Orientierungsgrad der Kristallebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich abnimmt. Im Fall, dass der Sauerstoffpartialdruck übermäßig hoch ist, ist es schwierig, das aus dem Target stammende Fe3+ zu reduzieren, so dass die erste piezoelektrische Schicht 3A, die Fe2+ enthält, nur schwer zu erhalten ist. Darüber hinaus wird im Fall, dass der Sauerstoffpartialdruck übermäßig hoch ist, die Wachstumsrate der ersten piezoelektrischen Schicht 3A wahrscheinlich abnehmen, und somit wird der Orientierungsgrad der Kristallebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich abnehmen.
  • Im ersten Filmbildungsschritt kann neben der Wiederholungsfrequenz f1 des Pulslaserlichts auch die Anzahl der Bestrahlungen des ersten Targets mit Pulslaserlicht (Filmbildungszeit) gesteuert werden. Mit zunehmender Anzahl der Bestrahlungen des ersten Targets mit Pulslaserlicht (Filmbildungszeit) nimmt die Dicke der ersten piezoelektrischen Schicht 3A tendenziell zu. Im ersten Filmbildungsschritt kann neben der Wiederholungsfrequenz f1 des Pulslaserlichts auch der Abstand von der Oberfläche der unteren Schicht 6 oder der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B und dem ersten Target gesteuert werden. Mit einer Verringerung des Abstands von der Oberfläche der unteren Schicht 6 oder der zweiten piezoelektrischen Schicht 3B und dem ersten Target nehmen die Dicke und die Wachstumsrate der ersten piezoelektrischen Schicht 3A tendenziell zu.
  • Der zweite Filmbildungsschritt kann im Wesentlichen nach demselben Verfahren wie der erste Filmbildungsschritt durchgeführt werden, mit Ausnahme der Zusammensetzung des Targets und der Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserlichts.
  • Nachdem der piezoelektrische Dünnfilm P durch den ersten Filmbildungsschritt (und den zweiten Filmbildungsschritt) gebildet wurde, kann eine Temperbehandlung (Wärmebehandlung) des piezoelektrischen Dünnfilms P durchgeführt werden. Die Temperatur (Tempertemperatur) des piezoelektrischen Dünnfilms P bei der Temperbehandlung kann beispielsweise von 300°C bis 1000°C, von 600°C bis 1000°C oder von 850°C bis 1000°C betragen. Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms P werden durch die Temperbehandlung des piezoelektrischen Dünnfilms P tendenziell weiter verbessert. Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms P lassen sich durch die Temperbehandlung leicht verbessern, insbesondere bei einer Temperatur von 850°C bis 1000°C. Die Temperbehandlung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Die Temperbehandlung kann in einer reduzierenden Atmosphäre wie Stickstoffgas (N2) durchgeführt werden. Die mit der Temperbehandlung verbundene Oxidation von Fe2+ (Bildung von Fe3+) im piezoelektrischen Dünnfilm P wird durch die Temperbehandlung in einer reduzierenden Atmosphäre unterdrückt, so dass Fe2+ im piezoelektrischen Dünnfilm P wahrscheinlich erhalten bleibt.
  • In dem oben beschriebenen Bildungsprozess des piezoelektrischen Dünnfilms P und einem darauf folgenden Temperaturabsenkungsprozess kann die Druckspannung aufgrund einer Temperaturänderung im piezoelektrischen Dünnfilm P erzeugt werden. Der piezoelektrische Dünnfilm P wird durch die Druckspannung in Richtungen (Richtung der a-Achse und Richtung der b-Achse) komprimiert, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A verlaufen. Infolgedessen wird der tetragonale Kristall 1 (und der tetragonale Kristall 2) wahrscheinlich gebildet werden.
  • Das kristalline Substrat 8 kann ein Einkristallsubstrat sein. Beispielsweise kann das kristalline Substrat 8 ein Substrat sein, das aus einem Einkristall aus Si oder einem Einkristall aus einem Verbindungshalbleiter wie GaAs besteht. Das kristalline Substrat 8 kann ein Substrat sein, das aus einem Einkristall aus einem Oxid besteht. Der Einkristall eines Oxids kann z. B. MgO oder ein Oxid vom Perowskit-Typ sein (z. B. SrTiO3). Die Dicke des kristallinen Substrats 8 kann z. B. 10 µm bis 1000 µm betragen. Wenn das kristalline Substrat 8 elektrisch leitfähig ist, funktioniert das kristalline Substrat 8 als Elektrode, so dass die erste Elektrodenschicht 7 nicht vorgesehen werden muss. Das kristalline Substrat 8 mit elektrischer Leitfähigkeit kann zum Beispiel ein Einkristall aus SrTiO3 sein, der mit Niob (Nb) dotiert ist. Als kristallines Substrat 8 kann ein SOI-Substrat (Silicon-on-Insulator) verwendet werden.
  • Eine Kristallorientierung des kristallinen Substrats 8 kann gleich der Normalenrichtung DN der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 sein. Das heißt, die Oberfläche des kristallinen Substrats 8 kann parallel zu einer Kristallebene des kristallinen Substrats 8 sein. Das kristalline Substrat 8 kann ein uniaxial orientiertes Substrat sein. Zum Beispiel kann eine (100)-Ebene des kristallinen Substrats 8, wie z. B. Si, parallel zur Oberfläche des kristallinen Substrats 8 verlaufen. Das heißt, eine [100]-Richtung des kristallinen Substrats 8, wie z. B. Si, kann parallel zur Normalenrichtung DN der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 verlaufen.
  • Im Fall, dass die (100)-Ebene des kristallinen Substrats 8, wie z. B. Si, parallel zur Oberfläche des kristallinen Substrats 8 verläuft, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 und des tetragonalen Kristalls 2 wahrscheinlich in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert.
  • Wie oben beschrieben, kann die Zwischenschicht 5 (erste Zwischenschicht) von dem kristallinen Substrat 8 und der ersten Elektrodenschicht 7 angeordnet sein. Die Zwischenschicht 5 kann beispielsweise mindestens ein Element aus der Gruppe Titan (Ti), Chrom (Cr), Titanoxid (TiO2), Siliziumoxid (SiO2) und Zirkoniumoxid (ZrO2) enthalten. Die erste Elektrodenschicht 7 steht leicht in engem Kontakt mit dem kristallinen Substrat 8, wobei die Zwischenschicht 5 davon angeordnet ist. Die Zwischenschicht 5 kann kristallin sein. Eine Kristallebene der Zwischenschicht 5 kann in der Normalenrichtung DN der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Sowohl die Kristallebene des kristallinen Substrats 8 als auch die Kristallebene der Zwischenschicht 5 können in der Normalenrichtung DN der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Das Verfahren zur Herstellung der Zwischenschicht 5 kann ein Sputter-Verfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coat-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein.
  • Die Zwischenschicht 5 kann ZrO2 und ein Oxid eines Seltenerdelements enthalten. Wenn die Zwischenschicht 5 ZrO2 und ein Oxid eines Seltenerdelements enthält, wird die erste Elektrodenschicht 7, die aus einem Platinkristall besteht, wahrscheinlich auf der Oberfläche der Zwischenschicht 5 gebildet, eine (002)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein, und eine (200)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein. Das Seltenerdelement kann mindestens eines sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu) besteht.
  • Die Zwischenschicht 5 kann ZrO2 und Y2O3 enthalten. Beispielsweise kann die Zwischenschicht 5 aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (ZrO2 mit Y2O3) bestehen. Die Zwischenschicht 5 kann eine erste Schicht aus ZrO2 und eine zweite Schicht aus Y2O3 aufweisen. Die erste Schicht, die aus ZrO2 besteht, kann direkt auf die Oberfläche des kristallinen Substrats 8 laminiert werden. Die zweite Schicht, bestehend aus Y2O3, kann direkt auf die Oberfläche der ersten Schicht laminiert werden. Die erste Elektrodenschicht 7 kann direkt auf die Oberfläche der zweiten Schicht, die aus Y2O3 besteht, laminiert werden. Im Fall, dass die Zwischenschicht 5 ZrO2 und Y2O3 enthält, ist es wahrscheinlich, dass die erste piezoelektrische Schicht 3A (und die zweite piezoelektrische Schicht 3B) epitaktisch gewachsen ist und daher die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 (und die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2) bevorzugt in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert ist. Ferner wird im Fall, dass die Zwischenschicht 5 ZrO2 und Y2O3 enthält, die erste Elektrodenschicht 7, die aus einem Platinkristall besteht, wahrscheinlich auf der Oberfläche der Zwischenschicht 5 gebildet, die (002)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein, und die (200)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein.
  • Die erste Elektrodenschicht 7 kann z. B. aus mindestens einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Gold (Au), Ruthenium (Ru), Iridium (Ir), Molybdän (Mo), Titan (Ti), Tantal (Ta) und Nickel (Ni) besteht. Die erste Elektrodenschicht 7 kann zum Beispiel aus einem leitfähigen Metalloxid wie Strontiumruthenat (SrRuO3), Lanthannickeloxid (LaNiO3) oder Lanthanstrontiumkobaltoxid ((La,Sr)CoO3) bestehen. Die erste Elektrodenschicht 7 kann kristallin sein. Eine Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 7 kann in der Normalenrichtung DN des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Das heißt, die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 7 kann im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des kristallinen Substrats 8 verlaufen. Sowohl die Kristallebene des kristallinen Substrats 8 als auch die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 7 können in der Normalenrichtung DN des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 7, die in der Normalenrichtung DN des kristallinen Substrats 8 orientiert ist, kann im Wesentlichen parallel zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 (und zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2) verlaufen. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht 7 kann z. B. 1 nm bis 1,0 µm betragen. Das Herstellungsverfahren der ersten Elektrodenschicht 7 kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coat-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein. Im Falle eines Druckverfahrens, eines Spin-Coat-Verfahrens oder eines Sol-Gel-Verfahrens kann die Wärmebehandlung (Tempern) der ersten Elektrodenschicht 7 durchgeführt werden, um die Kristallinität der ersten Elektrodenschicht 7 zu verbessern.
  • Die erste Elektrodenschicht 7 kann einen Platinkristall enthalten. Die erste Elektrodenschicht 7 kann aus einem Platinkristall bestehen. Der Platinkristall ist ein kubischer Kristall mit einer kubisch-flächenzentrierten Gitterstruktur (fcc-Struktur). Die (002)-Ebene des Platinkristalls kann in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein, und die (200)-Ebene des Platinkristalls kann in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein. Mit anderen Worten, die (002)-Ebene des Platinkristalls kann im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 sein, und die (200)-Ebene des Platinkristalls kann im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 sein. Im Fall, dass die (002)-Ebene und die (200)-Ebene des Platinkristalls, der die erste Elektrodenschicht 7 bildet, die oben beschriebene Ausrichtung haben, ist es wahrscheinlich, dass die erste piezoelektrische Schicht 3A (und die zweite piezoelektrische Schicht 3B) epitaktisch gewachsen ist, und daher ist es wahrscheinlich, dass die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 (und die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2) vorzugsweise in der Normalenrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A orientiert ist. Die Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 kann im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A verlaufen. Das heißt, die Normalrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 kann im Wesentlichen parallel zur Normalrichtung dn der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht 3A verlaufen.
  • Die zweite Elektrodenschicht 4 kann beispielsweise aus mindestens einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pt, Pd, Rh, Au, Ru, Ir, Mo, Ti, Ta und Ni besteht. Die zweite Elektrodenschicht 4 kann z. B. aus mindestens einem leitfähigen Metalloxid bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus LaNiO3, SrRuO3 und (La,Sr)CoO3 besteht. Die zweite Elektrodenschicht 4 kann kristallin sein. Eine Kristallebene der zweiten Elektrodenschicht 4 kann in der Normalenrichtung DN des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Die Kristallebene der zweiten Elektrodenschicht 4 kann im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des kristallinen Substrats 8 verlaufen. Die Kristallebene der zweiten Elektrodenschicht 4, die in der Normalenrichtung DN des kristallinen Substrats 8 orientiert ist, kann im Wesentlichen parallel zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 (und zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2) verlaufen. Die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 4 kann beispielsweise von 1 nm bis 1,0 µm betragen. Die zweite Elektrodenschicht 4 kann durch ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coat-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden. Im Falle eines Druckverfahrens, eines Spin-Coat-Verfahrens oder eines Sol-Gel-Verfahrens kann die Wärmebehandlung (Tempern) der zweiten Elektrodenschicht 4 durchgeführt werden, um die Kristallinität der zweiten Elektrodenschicht 4 zu verbessern.
  • Eine weitere Zwischenschicht (zweite Zwischenschicht) kann von dem piezoelektrischen Dünnfilm P (erste piezoelektrische Schicht 3A) und der zweiten Elektrodenschicht 4 angeordnet werden. Die zweite Elektrodenschicht 4 steht leicht in engem Kontakt mit des piezoelektrischen Dünnfilms P (erste piezoelektrische Schicht 3A), wobei die andere Zwischenschicht dazwischen angeordnet ist. Die Zusammensetzung, die kristalline Struktur und das Herstellungsverfahren der anderen Zwischenschicht (zweite Zwischenschicht) können die gleichen sein wie die der oben beschriebenen Zwischenschicht (erste Zwischenschicht). Die andere Zwischenschicht kann zum Beispiel mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus SrRuO3, LaNiO3 und (La,Sr)CoO3 enthalten. Das Herstellungsverfahren der anderen Zwischenschicht kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coat-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein.
  • Mindestens ein Teil oder die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 kann mit einem Schutzfilm beschichtet werden. Die Haltbarkeit (z. B. Feuchtigkeitsbeständigkeit) des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 wird durch die Beschichtung mit dem Schutzfilm verbessert.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Zum Beispiel kann das piezoelektrische Dünnfilmelement in einem piezoelektrischen Wandler und einem piezoelektrischen Sensor verwendet werden. Das heißt, ein piezoelektrischer Wandler (zum Beispiel ein Ultraschallwandler) gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann das oben beschriebene piezoelektrische Dünnfilmelement enthalten. Der piezoelektrische Wandler kann zum Beispiel ein Ultraschallwandler wie ein Ultraschallsensor sein. Das piezoelektrische Dünnfilmelement kann z. B. ein Harvester (Schwingungsenergie-Harvester) sein. Wie oben beschrieben, hat das piezoelektrische Dünnfilmelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen ausgezeichneten piezoelektrischen Leistungsindex, und daher ist das piezoelektrische Dünnfilmelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform für einen Ultraschallwandler geeignet. Das piezoelektrische Dünnfilmelement kann ein piezoelektrischer Aktor sein. Der piezoelektrische Aktor kann in einer Kopfbaugruppe, einer Mehrspurkopfbaugruppe oder einem Festplattenlaufwerk verwendet werden. Der piezoelektrische Aktor kann in einem Druckerkopf oder einem Tintenstrahldrucker verwendet werden. Der piezoelektrische Aktor kann ein piezoelektrischer Schalter sein. Der piezoelektrische Aktor kann in der Haptik eingesetzt werden. Das heißt, der piezoelektrische Aktor kann in verschiedenen Geräten verwendet werden, die eine kutane sensorische (taktile) Rückmeldung erfordern. Bei dem Gerät, das eine kutane sensorische Rückmeldung erfordert, kann es sich beispielsweise um ein tragbares Gerät, ein Touchpad, ein Display oder eine Spielsteuerung handeln. Das piezoelektrische Dünnfilmelement kann ein piezoelektrischer Sensor sein. Bei dem piezoelektrischen Sensor kann es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches Mikrofon, einen Gyroskopsensor, einen Drucksensor, einen Pulssensor oder einen Stoßsensor handeln. Das piezoelektrische Dünnfilmelement kann ein SAW-Filter, ein BAW-Filter, ein Oszillator oder ein mehrlagiger akustischer Film sein. Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthalten das oben beschriebene piezoelektrische Dünnfilmelement. Das heißt, das piezoelektrische Dünnfilmelement kann ein Teil oder die Gesamtheit der mikroelektromechanischen Systeme sein. Beispielsweise kann das piezoelektrische Dünnfilmelement ein Teil oder die Gesamtheit der piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandler (PMUT) sein. Produkte, bei denen piezoelektrische mikrobearbeitete Ultraschallwandler zum Einsatz kommen, können beispielsweise biometrische Sensoren (wie ein Fingerabdruck-Authentifizierungssensor und ein Gefäß-Authentifizierungssensor) oder Sensoren für die Medizin/Gesundheitspflege (wie ein Blutdruckmesser und ein Gefäßbildsensor) oder ToF-Sensoren (Time of Flight) sein.
  • 9 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ultraschallwandlers 10b, der das oben beschriebene piezoelektrische Dünnfilmelement enthält. Der Querschnitt dieses Ultraschallwandlers 10b ist senkrecht zur Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms P (erste piezoelektrische Schicht 3A). Der Ultraschallwandler 10b kann ein Substrat (8a und 8b), die auf dem Substrat (8a und 8b) vorgesehene erste Elektrodenschicht 7, den auf die erste Elektrodenschicht 7 gestapelten piezoelektrischen Dünnfilm P und die auf dem piezoelektrischen Dünnfilm P gestapelte zweite Elektrodenschicht 4 enthalten. Der piezoelektrische Dünnfilm P enthält die direkt auf der ersten Elektrodenschicht 7 gestapelte untere Schicht 6 und die auf der unteren Schicht 6 gestapelte erste piezoelektrische Schicht 3A. Unter dem piezoelektrischen Dünnfilm P kann ein akustischer Hohlraum 8c vorgesehen sein. Ein Ultraschallsignal wird durch Auslenkung oder Vibration des piezoelektrischen Dünnfilms P gesendet oder empfangen. Die zweite piezoelektrische Schicht 3B kann zwischen der unteren Schicht 6 und der ersten piezoelektrischen Schicht 3A angeordnet sein. Die Zwischenschicht kann zwischen dem Substrat (8a und 8b) und der ersten Elektrodenschicht 7 angeordnet sein.
  • [Beispiele]
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele näher erläutert. Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele nicht eingeschränkt.
  • (Beispiel 1)
  • Für die Herstellung eines piezoelektrischen Dünnfilmelements des Beispiels 1 wurde ein kristallines Substrat aus Si verwendet. Eine (100)-Ebene des Si lag parallel zur Oberfläche des kristallinen Substrats. Das kristalline Substrat hatte eine quadratische Form von 20 mm × 20 mm. Die Dicke des kristallinen Substrats betrug 500 µm.
  • Eine kristalline Zwischenschicht, bestehend aus ZrO2 und Y2O3, wurde auf der gesamten Oberfläche des kristallinen Substrats in einer Vakuumkammer gebildet. Die Zwischenschicht wurde durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Die Dicke der Zwischenschicht betrug 30 nm.
  • Eine erste Elektrodenschicht, bestehend aus einem Pt-Kristall, wurde auf der gesamten Oberfläche der Zwischenschicht in der Vakuumkammer gebildet. Die erste Elektrodenschicht wurde durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht betrug 200 nm. Die Temperatur in der Vakuumkammer wurde während der Bildung der ersten Elektrodenschicht auf 500°C gehalten.
  • Ein XRD-Muster der ersten Elektrodenschicht wurde durch Out-of-Plane-Messung an der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gemessen. Ein weiteres XRD-Muster der ersten Elektrodenschicht wurde durch In-Plane-Messung in der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gemessen. Für die Messung dieser XRD-Muster wurde ein Röntgenbeugungsgerät (SmartLab) der Rigaku Corporation verwendet. Die Messbedingungen wurden so festgelegt, dass die Intensität jedes Peaks in jedem XRD-Muster mindestens im dreistelligen Bereich über der Hintergrundintensität beträgt. Ein Peak der gebeugten Röntgenstrahlen der (002)-Ebenen des Pt-Kristalls wurde durch eine Out-of-Plane-Messung detektiert. Das heißt, die (002)-Ebenen des Pt-Kristalls waren in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert. Ein Peak der gebeugten Röntgenstrahlen der (200)-Ebenen des Pt-Kristalls wurde durch In-Plane-Messung detektiert. Das heißt, die (200)-Ebenen des Pt-Kristalls waren in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • Eine kristalline untere Schicht wurde auf der gesamten Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gebildet. Die untere Schicht wurde durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Die Zusammensetzung der unteren Schicht ist in Tabelle 1 unten wiedergegeben. Die Dicke TL der unteren Schicht wurde auf einen Wert eingestellt, der in Tabelle 2 unten angegeben ist.
  • Durch die Durchführung des oben beschriebenen ersten Filmbildungsschritts (PLD-Verfahren) in der Vakuumkammer wurde eine erste piezoelektrische Schicht auf der gesamten Oberfläche der unteren Schicht gebildet. Die Wiederholungsfrequenz f1 des Pulslaserlichts im ersten Filmbildungsschritt wurde auf 10 Hz eingestellt. Der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer wurde im ersten Filmbildungsschritt bei 1 Pa gehalten. Die Temperatur (Filmbildungstemperatur) in der Vakuumkammer wurde während des Bildungsprozesses der ersten piezoelektrischen Schicht bei 460°C gehalten. Die Dicke T1 der ersten piezoelektrischen Schicht wurde auf einen Wert eingestellt, der in Tabelle 2 unten angegeben ist.
  • Die Zusammensetzung des ersten Targets, das im ersten Filmbildungsschritt verwendet wurde, wird durch die nachstehende chemische Formel 1' repräsentiert. Im Fall von Beispiel 1 waren EA, EB1 und EB2 in der nachstehenden chemischen Formel 1' die in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführten Elemente. Im Fall von Beispiel 1 waren α, β, x1, y1 und z1 in der nachstehenden chemischen Formel 1' die in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführten Werte. x1(Bi1-αEA α)(EB1 1-βEB2 β)O3-y1BiFeO3-z1Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (1′)
  • Ein piezoelektrischer Dünnfilm, bestehend aus der unteren Schicht und der ersten piezoelektrischen Schicht, wurde durch den oben beschriebenen ersten Filmbildungsschritt gebildet. Für die folgende Analyse und Messung wurde eine Mehrzahl von piezoelektrischen Dünnfilmen durch das oben beschriebene Verfahren gebildet.
  • Die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms wurde kontinuierlich entlang der Dickenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms analysiert, während die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms durch Sputtern der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms gleichmäßig verringert wurde. Die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms wurde mit Hilfe einer XPS-Methode analysiert. Das Ergebnis der Analyse zeigt, dass die Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht mit der Zusammensetzung des ersten Targets übereinstimmt.
  • Ein XRD-Muster des piezoelektrischen Dünnfilms wurde durch Out-of-Plane-Messung in der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht mit dem oben beschriebenen Röntgenbeugungsgerät gemessen. Ferner wurde ein weiteres XRD-Muster des piezoelektrischen Dünnfilms durch In-Plane-Messung in der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht gemessen. Mit diesen Messungen wurde eine reziproke Raumabbildung des piezoelektrischen Dünnfilms durchgeführt. Die Messbedingungen wurden so festgelegt, dass die Intensität jedes Peaks in jedem XRD-Muster mindestens im dreistelligen Bereich über der Hintergrundintensität beträgt. Die Messapparatur und die Messbedingungen für jedes XRD-Muster waren die gleichen wie oben beschrieben. Ein Querschnitt des piezoelektrischen Dünnfilms parallel zur Dickenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms wurde mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM) mit der Auflösung eines atomaren Niveaus beobachtet.
  • Die Ergebnisse der Analyse mit dem Röntgenbeugungsgerät und dem RTEM zeigten, dass der piezoelektrische Dünnfilm die folgenden Merkmale aufwies.
  • Die (001)-Ebenen des unteren Kristalls, aus dem die untere Schicht besteht, wurden in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
  • Die erste piezoelektrische Schicht bestand aus einem tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ.
  • Die (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 waren vorzugsweise in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert. Das heißt, der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht betrug 90% oder mehr. Wie oben beschrieben, wird der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 als 100 × I1(001)/(I1(001) + I1(110) + I1(111)) wiedergegeben. Die Kristallebene des tetragonalen Kristalls 1, die vorzugsweise in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert ist, wird als „erste orientierte Ebene“ bezeichnet.
  • Der Abstand aL der (100)-Ebenen des unteren Kristalls, aus dem die untere Schicht gebildet war, war ein Wert, der in Tabelle 1 unten angegeben ist.
  • Der Abstand a1 der (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1, aus dem die erste piezoelektrische Schicht gebildet war, war ein Wert, der in Tabelle 1 unten angegeben ist.
  • Die Gitterfehlanpassungsrate Δa war ein Wert, der in Tabelle 1 unten angegeben ist. Wie oben beschrieben, ist die Gitterfehlanpassungsrate Δa definiert als 100 × (aL - a1)/a1.
  • Die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) der Rocking-Kurve der gebeugten Röntgenstrahlen, die von den (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 herrührten, war ein Wert, der in Tabelle 1 unten gezeigt ist. Die Rocking-Kurve der gebeugten Röntgenstrahlung, die von den (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 des Beispiels 1 herrührte, ist in 10 repräsentiert.
  • c2/a1 des tetragonalen Kristalls 1 war ein Wert, der in Tabelle 2 unten angegeben ist.
  • Ein Laminat, das aus dem kristallinen Substrat, der direkt auf das kristalline Substrat gestapelten Zwischenschicht, der direkt auf die Zwischenschicht gestapelten ersten Elektrodenschicht und dem direkt auf die erste Elektrodenschicht gestapelten piezoelektrischen Dünnfilm (eine untere Schicht und eine erste piezoelektrische Schicht) gebildet ist, wurde durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt. Der folgende Schritt wurde unter Verwendung dieses Laminats weiter durchgeführt.
  • Eine zweite Elektrodenschicht aus Pt wurde auf der gesamten Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms in der Vakuumkammer gebildet. Die zweite Elektrodenschicht wurde durch ein Sputter-Verfahren gebildet. Die Temperatur des kristallinen Substrats wurde bei der Bildung der zweiten Elektrodenschicht auf 500°C gehalten. Die Dicke der zweiten Elektrodenschicht betrug 200 nm.
  • Ein Laminat, das aus dem kristallinen Substrat, der direkt auf das kristalline Substrat gestapelten Zwischenschicht, der direkt auf die Zwischenschicht gestapelten ersten Elektrodenschicht, der direkt auf die erste Elektrodenschicht gestapelten unteren Schicht, der direkt auf die untere Schicht gestapelten ersten piezoelektrischen Schicht und der direkt auf die erste piezoelektrische Schicht gestapelten zweiten Elektrodenschicht gebildet ist, wurde durch die oben genannten Schritte hergestellt. Die Laminatstruktur auf dem kristallinen Substrat wurde durch die anschließende Photolithographie strukturiert. Nach der Strukturierung wurde das
  • Laminat durch Vereinzelung geschnitten.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement mit der viereckigen Form von Beispiel 1 wurde durch die oben genannten Schritte erhalten. Das piezoelektrische Dünnfilmelement bestand aus dem kristallinen Substrat, der Zwischenschicht, die direkt auf das kristalline Substrat gestapelt war, der ersten Elektrodenschicht, die direkt auf die Zwischenschicht gestapelt war, der unteren Schicht, die direkt auf die erste Elektrodenschicht gestapelt war, der ersten piezoelektrischen Schicht, die direkt auf die untere Schicht gestapelt war, und der zweiten Elektrodenschicht, die direkt auf die erste piezoelektrische Schicht gestapelt war. Die Fläche des beweglichen Teils des piezoelektrischen Dünnfilms betrug 600 µm × 600 µm .
  • <Evaluation der piezoelektrischen Eigenschaften>
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms wurden mit der folgenden Methode evaluiert.
  • [Berechnung der relativen Permittivität]
  • Die Kapazität C des piezoelektrischen Dünnfilmelements wurde gemessen. Die Einzelheiten der Messung der Kapazität C waren wie im Folgenden beschrieben.
    • Messgerät: Impedance Gain-Phase Analyzer 4194A, hergestellt von Hewlett Packard Enterprise Development LP
    • Frequenz: 1 kHz
    • Elektrisches Feld: 10 V/µm
  • Die relative Permittivität εr wurde auf der Grundlage der nachstehenden mathematischen Formel A aus dem gemessenen Wert der Kapazität C berechnet. εr von Beispiel 1 ist in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt. C = ε 0 × ε r × ( S / d )
    Figure DE102022119505A1_0001
    ε0 in der mathematischen Formel A ist die Permittivität des Vakuums (8,854 × 10-12 Fm-1). S in der mathematischen Formel A ist eine Fläche der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms. S ist die Fläche der ersten Elektrodenschicht, die auf dem piezoelektrischen Dünnfilm gestapelt ist. d in der mathematischen Formel A ist die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms.
  • [Messung der piezoelektrischen Dehnungskonstante d33,f]
  • Die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f des piezoelektrischen Dünnfilms wurde mit dem piezoelektrischen Dünnfilmelement gemessen. Die Einzelheiten der Messung von d33,f waren wie im Folgenden beschrieben. Die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f (Durchschnittswert von drei Messpunkten) von Beispiel 1 ist in Tabelle 2 unten aufgeführt. Der piezoelektrische Leistungsindex (d33,f/εrε0) wurde aus d33,f und εr berechnet. d33,f/εrε0 von Beispiel 1 ist in Tabelle 2 unten aufgeführt.
    • Messgerät: d33 meter (ZJ-4B), hergestellt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften
    • Frequenz: 110 Hz
    • Klemmdruck: 0,25 N
  • (Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8)
  • Die Zusammensetzung der unteren Schicht jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 6 bis 8 ist in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt. Die Dicke TL der unteren Schicht jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 6 bis 8 wurde auf einen Wert eingestellt, der in der nachstehenden Tabelle 2 angegeben ist. Die untere Schicht der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurde nicht ausgebildet. Das heißt, die erste piezoelektrische Schicht der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurde direkt auf der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gebildet.
  • Die Dicke T1 der ersten piezoelektrischen Schicht jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 wurde auf einen Wert eingestellt, der in Tabelle 2 unten angegeben ist. Die Zusammensetzung des ersten Targets in den Beispielen 2 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 8 wird durch die obige chemische Formel 1' repräsentiert. EA, EB1 und EB2 jedes der Beispiele 2 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 8 waren Elemente, die in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt sind. α, β, x1, y1 und z1 von jedem der Beispiele 2 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 8 waren Werte, die in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt sind.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der oben genannten Punkte.
  • Die Messung für die erste Elektrodenschicht jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 durchgeführt. In allen Fällen der Beispiele 2 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 8 waren die (002)-Ebenen des Pt-Kristalls, der die erste Elektrodenschicht bildet, in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert, und die (200)-Ebenen des Pt-Kristalls waren in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • Die Analyse und Messung des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 8 stimmte die Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht mit der Zusammensetzung des ersten Targets überein.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 6 bis 8 waren die (001)-Ebenen des unteren Kristalls, aus dem die untere Schicht besteht, in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 8 bestand die erste piezoelektrische Schicht aus dem tetragonalen Kristall 1 des Oxids vom Perowskit-Typ.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 11 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 8 waren die (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 vorzugsweise in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
    aL, a1, Δa und FWHM jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 sind die in Tabelle 1 angegebenen Werte. Nur in den unten beschriebenen Fällen der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 und des Vergleichsbeispiels 10 ist aL jedoch nicht der Abstand der (100)-Ebenen des unteren Kristalls, der die untere Schicht bildet, sondern der Abstand der (100)-Ebenen des Pt-Kristalls, der die erste Elektrodenschicht bildet.
    c2/a1 jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 war ein Wert, der in Tabelle 2 unten angegeben ist.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 wurden nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,f und d33,f/εrε0 jedes der Beispiele 2 bis 11 und Vergleichsbeispiele 1 bis 8 sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt. [Tabelle 1]
    Tabelle 1 EA EB1 EB2 α β x1 y1 z1 a1 aL Δa Untere Schicht Erste orientierte Ebene FWHM
    Einheit - - - - - - - - Å Å % - - °
    Beispiel 1 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 3.99 4.51 BaTiO3 (001) 2.3
    Beispiel 2 K Ti Keine 0.5 0 0.10 0.85 0.05 3.73 4.24 12.03 TiN (001) 2.4
    Beispiel 3 Ag Mg Ti 0.5 0.5 0.15 0.05 0.80 3.87 3.99 3.01 BaTiO3 (001) 2.8
    Beispiel 4 K Zn Zr 0.5 0.5 0.85 0.10 0.05 3.88 4.24 8.49 TiN (001) 1.9
    Beispiel 5 K Zn Ti 0.5 0.5 0.30 0.65 0.05 3.78 3.99 5.26 BaTiO3 (001) 1.9
    Beispiel 6 Keine Al Keine 0 0 0.20 0.10 0.70 3.92 4.24 7.55 TiN (001) 4.6
    Beispiel 7 Na Ni Ti 0.5 0.5 0.25 0.15 0.60 3.88 4.24 8.49 TiN (001) 5.5
    Beispiel 8 Keine Mg Ti 0 0.5 0.15 0.35 0.50 3.75 3.99 6.02 BaTiO3 (001) 3.7
    Beispiel 9 Keine Zn Ti 0 0.5 0.30 0.50 0.20 3.81 3.99 4.51 BaTiO3 (001) 2.6
    Beispiel 10 Keine Zn Ti 0 0.5 0.30 0.50 0.20 3.81 4.24 10.14 TiN (001) 3.5
    Beispiel 11 Keine Zn Ti 0 0.5 0.30 0.50 0.20 3.81 3.93 3.05 SrRuO3 (001) 1.9
    Vergleichsbeispiel 1 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.83 3.91 2.05 Keine (001) 1.4
    Vergleichsbeispiel 2 Ag Mg Ti 0.5 0.5 0.15 0.05 0.80 3.89 3.91 0.51 Keine (001) 1.5
    Vergleichsbeispiel 3 K Zn Zr 0.5 0.5 0.85 0.10 0.05 3.90 3.91 0.26 Keine (001) 0.9
    Vergleichsbeispiel 4 Keine Al Keine 0 0 0.20 0.10 0.70 3.92 3.91 -0.26 Keine (001) 0.8
    Vergleichsbeispiel 5 Na Ni Ti 0.5 0.5 0.25 0.15 0.60 3.91 3.91 0.00 Keine (001) 1.2
    Vergleichsbeispiel 6 Keine Al Keine 0 0 0.30 0.50 0.20 3.85 4.45 13.48 MnO (001) 6.2
    Vergleichsbeispiel 7 K Ti Keine 0.5 0 0.70 0.20 0.10 3.94 4.24 7.08 TiN (001) 5.6
    Vergleichsbeispiel 8 K Ti Keine 0.5 0 1.00 0.00 0.00 3.91 3.99 2.01 BaTiO3 (001) 3.9
    [Tabelle 2]
    Tabelle 2 Δa FWHM εr d33,f d33,f/ε0εr c1/a1 T1 TL
    Einheit % ° - pC/N ×10-3 V·m/N - nm nm
    Beispiel 1 4.51 2.3 111 165 168 1.240 3000 30
    Beispiel 2 12.03 2.4 118 174 167 1.249 3000 10
    Beispiel 3 3.01 2.8 112 158 159 1.201 2220 150
    Beispiel 4 8.49 1.9 105 168 181 1.130 3800 300
    Beispiel 5 5.26 1.9 121 173 161 1.130 4600 350
    Beispiel 6 7.55 4.6 111 159 162 1.079 4920 180
    Beispiel 7 8.49 5.5 114 156 155 1.066 1690 80
    Beispiel 8 6.02 3.7 112 162 163 1.063 500 100
    Beispiel 9 4.51 2.6 104 169 184 1.239 2400 50
    Beispiel 10 10.14 3.5 107 173 183 1.242 2400 50
    Beispiel 11 3.05 1.9 101 161 180 1.233 2400 50
    Vergleichsbeispiel 1 2.05 1.4 101 120 134 1.235 3000 -
    Vergleichsbeispiel 2 0.51 1.5 98 125 144 1.193 2220 -
    Vergleichsbeispiel 3 0.26 0.9 91 118 146 1.122 3800 -
    Vergleichsbeispiel 4 -0.26 0.8 105 116 125 1.062 1690 -
    Vergleichsbeispiel 5 0.00 1.2 94 113 136 1.051 500 -
    Vergleichsbeispiel 6 13.48 6.2 97 110 128 1.058 2410 30
    Vergleichsbeispiel 7 7.08 5.6 151 145 108 1.059 2130 30
    Vergleichsbeispiel 8 2.01 3.9 150 80 60 1.037 2050 30
  • (Vergleichsbeispiele 9 bis 11)
  • Die Temperatur (Filmbildungstemperatur) in der Vakuumkammer wurde im ersten Filmbildungsschritt jedes der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 auf einer Temperatur gehalten, die in Tabelle 3 unten angegeben ist. Die untere Schicht von Vergleichsbeispiel 10 wurde nicht ausgebildet. Das heißt, die erste piezoelektrische Schicht von Vergleichsbeispiel 10 wurde direkt auf der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gebildet.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement jedes der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der oben genannten Punkte.
  • Die Messung für die erste Elektrodenschicht jedes der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt. In allen Fällen der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 waren die (002)-Ebenen des Pt-Kristalls, der die erste Elektrodenschicht bildete, in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert, und die (200)-Ebenen des Pt-Kristalls waren in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • Die Analyse und Messung des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • In allen Fällen der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 stimmte die Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht mit der Zusammensetzung des ersten Targets überein.
  • In allen Fällen der Vergleichsbeispiele 9 und 11 waren die (001)-Ebenen des unteren Kristalls, aus dem die untere Schicht gebildet war, in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
  • In allen Fällen der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 bestand die erste piezoelektrische Schicht aus dem tetragonalen Kristall 1 des Oxids vom Perowskit-Typ.
  • In allen Fällen der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 waren die (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 vorzugsweise in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
    aL, a1, Δa und FWHM für jedes der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 waren die in Tabelle 3 unten angegebenen Werte.
    c1/a1 jedes der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 war ein Wert, der in Tabelle 4 unten gezeigt wird.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 wurden mit der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,f und d33,f/εrε0 für jedes der Vergleichsbeispiele 9 bis 11 sind in Tabelle 4 unten aufgeführt. [Tabelle 3]
    Tabelle 3 EA EB1 EB2 α β x1 y1 z1 a1 aL Δa Untere Schicht Erste orientierte Ebene FWHM Filmbildungstemperatur
    Einheit - - - - - - - - Å Å % - - ° °C
    Beispiel 1 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 3.99 4.51 BaTiO3 (001) 2.3 450
    Vergleichsbeispiel 9 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 3.99 4.51 BaTiO3 (001) 1.6 600
    Vergleichsbeispiel 10 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 3.91 2.56 Keine (001) 5.4 380
    Vergleichsbeispiel 11 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 4.45 14.38 MnO (001) 5.8 380
    [Tabelle 4]
    Tabelle 4 Δa FWHM εr d33,f d33,f/ε0εr c1/a1 T1 TL
    Einheit % ° - pC/N ×10-3 V·m/N - nm nm
    Beispiel 1 4.51 2.3 111 165 168 1.240 3000 30
    Vergleichsbeispiel 9 4.51 1.6 102 100 111 1.210 3000 30
    Vergleichsbeispiel 10 2.56 5.4 200 120 68 1.190 3000 -
    Vergleichsbeispiel 11 14.38 5.8 250 90 41 1.205 3000 30
  • (Vergleichsbeispiel 12)
  • Der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer im ersten Filmbildungsschritt des Vergleichsbeispiels 12 wurde auf 0,01 Pa gehalten. Die Dicke T1 der ersten piezoelektrischen Schicht des Vergleichsbeispiels 12 wurde auf einen Wert eingestellt, der in Tabelle 6 unten angegeben ist.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement des Vergleichsbeispiels 12 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der oben genannten Punkte.
  • Die Messung für die erste Elektrodenschicht des Vergleichsbeispiels 12 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt. Im Fall des Vergleichsbeispiels 12 waren die (002)-Ebenen des Pt-Kristalls, der die erste Elektrodenschicht bildet, in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert, und die (200)-Ebenen des Pt-Kristalls waren in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • Die Analyse und Messung für den piezoelektrischen Dünnfilm des Vergleichsbeispiels 12 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Im Falle des Vergleichsbeispiels 12 stimmte die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms nicht mit der Zusammensetzung des ersten Targets in Bezug auf den Sauerstoffgehalt überein.
  • Da der piezoelektrische Dünnfilm von Vergleichsbeispiel 12 keine ausreichende kristalline Orientierung aufwies, konnte die FWHM von Vergleichsbeispiel 12 nicht angegeben werden.
    aL, a1 und Δa des Vergleichsbeispiels 12 waren die in Tabelle 5 unten angegebenen Werte.
    c1/a1 des Vergleichsbeispiels 12 war ein Wert, der in Tabelle 6 unten angegeben ist.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms von Vergleichsbeispiel 12 wurden mit der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,f und d33,f/εrε0 des Vergleichsbeispiels 12 sind in Tabelle 6 unten aufgeführt. [Tabelle 5]
    Tabelle 5 EA EB1 EB2 α β x1 y1 z1 a1 aL Δa Untere Schicht Erste orientierte Ebene FWHM
    Einheit - - - - - - - - Å Å % - - °
    Beispiel 1 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 3.99 4.51 BaTiO3 (001) 2.3
    Vergleichsbeispiel 12 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.96 3.99 0.75 BaTiO3 Keine -
    [Tabelle 6]
    Tabelle 6 Δa FWHM εr d33,f d33,f/ε0εr c1/a1 T1 TL
    Einheit % ° - pC/N ×10-3 V·m/N - nm nm
    Beispiel 1 4.51 2.3 111 165 168 1.240 3000 30
    Vergleichsbeispiel 12 0.75 - 358 53.0 17 - 2650 30
  • (Beispiel 12)
  • Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilmelements des Beispiels 12 wurde die Zwischenschicht nicht ausgebildet. Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilmelements des Beispiels 12 wurde die erste Elektrodenschicht, die aus kristallinem SrRuO3 bestand, direkt auf der gesamten Oberfläche des kristallinen Substrats gebildet. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht von Beispiel 9 betrug 200 nm.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement des Beispiels 12 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der oben genannten Punkte.
  • Die Messung für die erste Elektrodenschicht von Beispiel 12 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt. Im Fall von Beispiel 12 war die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht nicht in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert. Das heißt, im Fall von Beispiel 12 gab es die In-Plane-Orientierung des Kristalls der ersten Elektrodenschicht.
  • Die Analyse und Messung für den piezoelektrischen Dünnfilm des Beispiels 12 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Die Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht in Beispiel 12 stimmte mit der Zusammensetzung des ersten Targets überein.
  • Die (001)-Ebenen des unteren Kristalls, der die untere Schicht von Beispiel 12 bildete, waren in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
  • Die erste piezoelektrische Schicht von Beispiel 12 bestand aus dem tetragonalen Kristall 1 des Oxids vom Perowskit-Typ.
  • Die (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 des Beispiels 12 waren vorzugsweise in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
    aL, a1, Δa und FWHM des Beispiels 12 waren die in Tabelle 7 unten angegebenen Werte.
    c1/a1 des Beispiels 12 war ein Wert, der in Tabelle 8 unten angegeben ist.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms des Beispiels 12 wurden mit der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,f und d33,f/εrε0 des Beispiels 12 sind in Tabelle 8 unten aufgeführt. [Tabelle 7]
    Tabelle 7 EA EB1 EB2 α β x1 y1 z1 a1 aL Δa Untere Schicht Erste orientierte Ebene FWHM In-plane-Orientierung
    Einheit - - - - - - - - Å Å % - - ° -
    Beispiel 1 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 3.99 4.51 BaTiO3 (001) 2.3 vorhanden
    Beispiel 12 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 3.99 4.51 BaTiO3 (001) 3.2 nicht vorhanden
    [Tabelle 8]
    Tabelle 8 Δa FWHM εr d33,f d33,f/ε0εr c1/a1 T1 TL
    Einheit % - - pC/N ×10-3 V·m/N - nm nm
    Beispiel 1 4.51 2.3 111 165 168 1.240 3000 30
    Beispiel 12 4.51 3.2 127 169 150 1.155 3000 30
  • (Beispiele 13 bis 19)
  • Die Zusammensetzung der unteren Schicht jedes der Beispiele 13 bis 19 ist in Tabelle 9 aufgeführt.
  • In den Fällen der Beispiele 13 bis 19 wurde durch die Durchführung des oben beschriebenen zweiten Filmbildungsschritts (PLD-Verfahren) in der Vakuumkammer eine zweite piezoelektrische Schicht auf der gesamten Oberfläche der unteren Schicht gebildet. Die Wiederholungsfrequenz f2 des Pulslaserlichts im zweiten Filmbildungsschritt wurde auf 20 Hz eingestellt. Der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer wurde im zweiten Filmbildungsschritt bei 1 Pa gehalten. Die Temperatur (Filmbildungstemperatur) in der Vakuumkammer wurde im zweiten Filmbildungsschritt bei 460°C gehalten. Die Dicke T2 der zweiten piezoelektrischen Schicht wurde auf einen Wert eingestellt, der in Tabelle 11 unten angegeben ist.
  • Die Zusammensetzung des zweiten Targets, das in der zweiten Filmbildungsstufe jedes der Beispiele 13 bis 19 verwendet wird, wird durch die nachstehende chemische Formel 2' repräsentiert. EA, EB1 und EB2 in der chemischen Formel 2' jedes der Beispiele 13 bis 19 waren Elemente, die in Tabelle 9 unten gezeigt werden. x2, y2 und z2 in der chemischen Formel 2' jedes der Beispiele 13 bis 19 waren Werte, die in der nachstehenden Tabelle 10 gezeigt sind. x2(Bi1-αEA α)(EB1 1-βEB2 β)O3-y2BiFeO3-z2Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (2′)
  • In den Fällen der Beispiele 13 bis 19 wurde die erste piezoelektrische Schicht auf der gesamten Oberfläche der zweiten piezoelektrischen Schicht durch den ersten Filmbildungsschritt im Anschluss an den zweiten Filmbildungsschritt gebildet. Das heißt, der piezoelektrische Dünnfilm jedes der Beispiele 13 bis 19 bestand aus der unteren Schicht, der zweiten piezoelektrischen Schicht, die direkt auf die untere Schicht gestapelt war, und der ersten piezoelektrischen Schicht, die direkt auf die zweite piezoelektrische Schicht gestapelt war. Die Dicke T1 der ersten piezoelektrischen Schicht jedes der Beispiele 13 bis 19 wurde auf einen Wert eingestellt, der in Tabelle 11 unten angegeben ist. Die Zusammensetzung des ersten Targets, das im ersten Filmbildungsschritt jedes der Beispiele 13 bis 19 verwendet wurde, wird durch die obige chemische Formel 1' repräsentiert. EA, EB1 und EB2 in der chemischen Formel 1' jedes der Beispiele 13 bis 19 waren Elemente, die in der nachstehenden Tabelle 9 gezeigt sind. α, β, x1, y1 und z1 in der chemischen Formel 1' der Beispiele 13 bis 19 waren Werte, die in der nachstehenden Tabelle 9 aufgeführt sind.
  • In allen Fällen der Beispiele 13 bis 19 sind EA, EB1, EB2, α und β mit denen der ersten piezoelektrischen Schicht (erstes Target) und der zweiten piezoelektrischen Schicht (zweites Target) identisch.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement jedes der Beispiele 13 bis 19 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der oben genannten Punkte.
  • Die Messung für die erste Elektrodenschicht der Beispiele 13 bis 19 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 durchgeführt. In allen Fällen der Beispiele 13 bis 19 waren die (002)-Ebenen des Pt-Kristalls, der die erste Elektrodenschicht bildet, in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert, und die (200)-Ebenen des Pt-Kristalls waren in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • Die Analyse und Messung des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Beispiele 13 bis 19 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt. Der piezoelektrische Dünnfilm jedes der Beispiele 13 bis 19 hatte die folgenden Eigenschaften.
  • Die Zusammensetzung der ersten piezoelektrischen Schicht stimmte mit der Zusammensetzung des ersten Targets überein.
  • Die (001)-Ebenen des unteren Kristalls, der die untere Schicht bildete, wurden in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
  • Die erste piezoelektrische Schicht bestand aus dem tetragonalen Kristall 1 des Oxids vom Perowskit-Typ.
  • Die (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 waren vorzugsweise in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert.
  • Die Zusammensetzung der zweiten piezoelektrischen Schicht stimmte mit der Zusammensetzung des zweiten Targets überein.
  • Die zweite piezoelektrische Schicht bestand aus einem tetragonalen Kristall 2 eines Oxids vom Perowskit-Typ.
  • Die (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 waren vorzugsweise in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert. Das heißt, der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht betrug 90% oder mehr. Wie oben beschrieben wird der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 durch 100 × I2(001)/(I2(001) + I2(110) + I2(111)) wiedergegeben. Die Kristallebene des tetragonalen Kristalls 2, die vorzugsweise in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert ist, wird als „zweite orientierte Ebene“ bezeichnet.
  • aL, a1, Δa und FWHM jedes der Beispiele 13 bis 19 waren die in Tabelle 9 unten angegebenen Werte.
    c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 jedes der Beispiele 13 bis 19 war ein Wert, der in Tabelle 11 unten angegeben ist.
    c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2 jedes der Beispiele 13 bis 19 war ein Wert, der in Tabelle 11 unten angegeben ist.
    I1/(I1 + I2) jedes der Beispiele 13 bis 19 war ein Wert, der in Tabelle 11 unten gezeigt wird. Die Definition von I1/(I1 + I2) ist wie oben beschrieben.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Beispiele 13 bis 19 wurden mit der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,f und d33,f/εrε0 für jedes der Beispiele 13 bis 19 sind in Tabelle 11 unten aufgeführt. Die reziproke Raumkarte von Beispiel 13 ist in 11 repräsentiert. [0189] [Tabelle 9]
    Tabelle 9 EA EB1 EB2 α β x1 y1 z1 a1 aL Δa Untere Schicht Erste orientierte Ebene FWHM f1
    Einheit - - - - - - - - Å Å % - - ◦ Hz
    Beispiel 1 K Ti Keine 0.5 0 0.15 0.80 0.05 3.81 3.99 4.51 BaTiO3 (001) 2.3 10
    Beispiel 13 K Ti Keine 0.5 0 0.10 0.85 0.05 3.78 3.99 5.26 BaTiO3 (001) 2.4 10
    Beispiel 14 Ag Mg Ti 0.5 0.5 0.15 0.05 0.80 3.87 3.99 3.01 BaTiO3 (001) 3.1 10
    Beispiel 15 K Zn Zr 0.5 0.5 0.80 0.15 0.05 3.88 4.24 8.49 TiN (001) 2.0 10
    Beispiel 16 K Zn Ti 0.5 0.5 0.30 0.65 0.05 3.78 3.99 5.26 BaTiO3 (001) 2.9 10
    Beispiel 17 Keine Al Keine 0 0 0.20 0.10 0.70 3.92 4.24 7.55 TiN (001) 3.5 10
    Beispiel 18 Na Ni Ti 0.5 0.5 0.25 0.15 0.60 3.88 4.24 8.49 TiN (001) 2.7 10
    Beispiel 19 Keine Mg Ti 0 0.5 0.15 0.35 0.50 3.75 3.99 6.02 BaTiO3 (001) 4.1 10
    [0190] [Tabelle 10]
    Tabelle 10 x2 y2 z2 Zweite orientierte Ebene f2
    Einheit - - - - Hz
    Beispiel 1 - - - (001) -
    Beispiel 13 0.10 0.85 0.05 (001) 20
    Beispiel 14 0.10 0.10 0.80 (001) 20
    Beispiel 15 0.70 0.20 0.10 (001) 20
    Beispiel 16 0.25 0.70 0.05 (001) 20
    Beispiel 17 0.15 0.15 0.70 (001) 20
    Beispiel 18 0.20 0.20 0.60 (001) 20
    Beispiel 19 0.10 0.40 0.50 (001) 20
    [0191] [Tabelle 11]
    Tabelle 11 Δa FWHM εr d33,f d33,f/ε0εr c1/a1 T1 TL c2/a2 T2 T1 + T2 I1/(I1 + I2)
    Einheit % ◦ - pC/N ×10-3 V·m/N - nm nm - nm nm -
    Beispiel 1 4.51 2.3 111 165 168 1.240 3000 30 - 0 3000 1.00
    Beispiel 13 5.26 2.4 109 174 180 1.201 2500 30 1.065 30 2530 0.93
    Beispiel 14 3.01 3.1 102 158 175 1.204 2000 30 1.033 250 2250 0.92
    Beispiel 15 8.49 2.0 90 173 217 1.135 3350 30 1.016 290 3640 0.91
    Beispiel 16 5.26 2.9 88 173 222 1.127 4750 30 1.108 200 4950 0.97
    Beispiel 17 7.55 3.5 98 149 172 1.100 1590 30 1.027 120 1710 0.95
    Beispiel 18 8.49 2.7 101 155 173 1.071 510 30 1.014 50 560 0.99
    Beispiel 19 6.02 4.1 99 162 185 1.066 2850 30 1.036 10 2860 0.96
  • [0192] [Industrielle Anwendbarkeit]
  • Beispielsweise kann der piezoelektrische Dünnfilm gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung in einem piezoelektrischen Wandler, einem piezoelektrischen Aktor und einem piezoelektrischen Sensor verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    tetragonaler Kristall 1,
    2
    tetragonaler Kristall 2,
    3A
    erste piezoelektrische Schicht,
    3B
    zweite piezoelektrische Schicht,
    4
    zweite Elektrodenschicht,
    5
    Zwischenschicht,
    6
    untere Schicht,
    6c
    Kristall (untererKristall) enthalten in der unteren Schicht,
    7
    erste Elektrodenschicht,
    8
    kristallines Substrat,
    10, 10a
    piezoelektrisches Dünnfilmelement,
    10b
    Ultraschallwandler,
    DN
    Normalenrichtung der Oberfläche des kristallinen Substrats,
    dn
    Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht,
    P
    piezoelektrischer Dünnfilm,
    uc
    Einheitszelle der Perowskitstruktur,
    uc1
    Einheitszelle des tetragonalen Kristalls 1,
    uc2
    Einheitszelle des tetragonalen Kristalls 2,
    ucL
    Einheitszelle des in derunteren Schicht enthaltenen Kristalls.

Claims (19)

  1. Piezoelektrischer Dünnfilm, aufweisend: eine untere Schicht; und eine erste piezoelektrische Schicht, die direkt oder indirekt auf die untere Schicht gestapelt ist, wobei die erste piezoelektrische Schicht einen tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ enthält, eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in einer Normalenrichtung zu einer Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert ist, ein Abstand der (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 a1 ist, ein Abstand von (100)-Ebenen eines in der unteren Schicht enthaltenen Kristalls aL ist, eine Gitterfehlanpassungsrate von der ersten piezoelektrischen Schicht und der unteren Schicht als 100 ×(aL - a1)/a1 definiert ist, die Gitterfehlanpassungsrate von 3,0% bis 12,1% beträgt, eine Rocking-Kurve von gebeugten Röntgenstrahlen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in einer Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht gemessen wird und die Halbwertsbreite der Rocking-Kurve von 1,9° bis 5,5° beträgt.
  2. Piezoelektrischer Dünnfilm nach Anspruch 1, wobei aL von 3,92 Å bis 4,29 Å beträgt.
  3. Piezoelektrischer Dünnfilm nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine (001)-Ebene des in der unteren Schicht enthaltenen Kristalls in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert ist.
  4. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der in der unteren Schicht enthaltene Kristall mindestens ein Kristall ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem kubischen Kristall, einem tetragonalen Kristall, einem rhomboedrischen Kristall, einem pseudokubischen Kristall und einem pseudotetragonalen Kristall besteht.
  5. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der in der unteren Schicht enthaltene Kristall mindestens eine Verbindung aus Bariumtitanat und Titannitrid enthält.
  6. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dicke der unteren Schicht von 10 nm bis 350 nm beträgt.
  7. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Abstand der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 c1 ist und c1/a1 von 1,050 bis 1,250 beträgt.
  8. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der tetragonale Kristall 1 Bismut, Eisen, ein Element EB und Sauerstoff enthält und das Element EB mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium, Aluminium, Zirkonium, Titan, Nickel und Zink besteht.
  9. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der tetragonale Kristall 1 durch die nachstehende chemische Formel 1 repräsentiert wird, EA in der nachstehenden chemischen Formel 1 mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Na, K und Ag ist, EB in der nachstehenden chemischen Formel 1 mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn ist, x1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 von 0,10 bis 0,90 beträgt, y1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 von 0,05 bis 0,85 beträgt, z1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 von 0,05 bis 0,85 beträgt, x1+ y1+ z1 1,00 ist und α in der nachstehenden chemischen Formel 1 0,00 oder mehr und weniger als 1,00 beträgt: x1(Bi1-αEA α)EBO3-y1BiFeO3-z1Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (1)
  10. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend eine zweite piezoelektrische Schicht, wobei die zweite piezoelektrische Schicht zwischen der unteren Schicht und der ersten piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, die zweite piezoelektrische Schicht einen tetragonalen Kristall 2 eines Oxids vom Perowskit-Typ enthält, eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in der Normalenrichtung der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht orientiert ist, ein Abstand der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 c1 ist, ein Abstand der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 c2 ist, der Abstand der (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 a2 ist und c2/a2 kleiner als c1/a1 ist.
  11. Piezoelektrischer Dünnfilm nach Anspruch 10, wobei c2/a2 von 1,010 bis 1,110 beträgt.
  12. Piezoelektrischer Dünnfilm nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Peak-Intensität von an der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 gebeugten Röntgenstrahlen I1 ist, eine Peak-Intensität von an der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 gebeugten Röntgenstrahlen I2 ist und I1/(I1+ I2) 0,90 oder mehr und weniger als 1,00 beträgt.
  13. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der tetragonale Kristall 2 Bismut, Eisen, ein Element EB und Sauerstoff enthält und das Element EB mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Magnesium, Aluminium, Zirkonium, Titan, Nickel und Zink besteht.
  14. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der tetragonale Kristall 2 durch die nachstehende chemische Formel 2 repräsentiert wird, EA in der nachstehenden chemischen Formel 2 mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Na, K und Ag ist, EB in der nachstehenden chemischen Formel 2 mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn ist, x2 in der folgenden chemischen Formel 2 von 0,10 bis 0,85 beträgt, y2 in der folgenden chemischen Formel 2 von 0,10 bis 0,85 beträgt, z2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 von 0,05 bis 0,80 beträgt, x2 + y2 + z2 1,00 ist und α in der nachstehenden chemischen Formel 2 0,00 oder mehr und weniger als 1,00 beträgt: x2(Bi1-αEAα)EBO3-y2BiFeO3-z2Bi(Fe0.5Ti0.5)O3 (2)
  15. Piezoelektrischer Dünnfilm nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Dicke der zweiten piezoelektrischen Schicht von 10 nm bis 300 nm beträgt.
  16. Piezoelektrisches Dünnfilmelement, aufweisend den piezoelektrischen Dünnfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
  17. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach Anspruch 16, aufweisend: ein kristallines Substrat; und eine auf das kristalline Substrat gestapelte Elektrodenschicht, wobei die untere Schicht direkt auf die Elektrodenschicht gestapelt ist, eine Zwischenschicht zwischen dem kristallinen Substrat und der Elektrodenschicht angeordnet ist und die Zwischenschicht ZrO2 und Y2O3 enthält.
  18. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach Anspruch 16 oder 17, aufweisend eine Elektrodenschicht, wobei die untere Schicht direkt auf die Elektrodenschicht gestapelt ist, die Elektrodenschicht einen Platinkristall enthält, eine (002)-Ebene des Platinkristalls in einer Normalenrichtung zu einer Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert ist und eine (200)-Ebene des Platinkristalls in einer In-Plane-Richtung der Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert ist.
  19. Piezoelektrischer Wandler mit dem piezoelektrischen Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 16 bis 18.
DE102022119505.8A 2021-08-06 2022-08-03 Piezoelektrischer dünnfilm, piezoelektrisches dünnfilmelement und piezoelektrischer wandler Pending DE102022119505A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-129655 2021-08-06
JP2021129655A JP2023023808A (ja) 2021-08-06 2021-08-06 圧電薄膜、圧電薄膜素子及び圧電トランスデューサ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022119505A1 true DE102022119505A1 (de) 2023-02-09

Family

ID=84975609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022119505.8A Pending DE102022119505A1 (de) 2021-08-06 2022-08-03 Piezoelektrischer dünnfilm, piezoelektrisches dünnfilmelement und piezoelektrischer wandler

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230055097A1 (de)
JP (1) JP2023023808A (de)
CN (1) CN115942857A (de)
DE (1) DE102022119505A1 (de)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023023808A (ja) 2023-02-16
US20230055097A1 (en) 2023-02-23
CN115942857A (zh) 2023-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112011102278B4 (de) Piezoelektrisches Filmelement und piezoelektrische Filmvorrichtung
JP5566059B2 (ja) 金属酸化物および圧電材料
DE60311613T2 (de) Herstellungsverfahren für ein monolithisches piezoelektrisches Bauelement
WO2011103935A1 (de) Bleifreier, mehrphasiger keramischer werkstoff mit texturierung, verfahren zum herstellen des werkstoffs und verwendung des werkstoffs
DE102020100242A1 (de) Piezoelektrische dünnschicht, piezoelektrische dünnschichtvorrichtung, piezoelektrischer aktor, piezoelektrischer sensor, piezoelektrischer wandler, festplatte, druckkopf und tintenstrahldrucker
DE112018003429B4 (de) Piezoelektrisches Bauteil, Sensor und Aktor
DE102008042955A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Keramik mit Kristallorientierung
DE10041905B4 (de) Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Keramik sowie Verwendung einer solchen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung für einen piezoelektrischen Resonator, einen piezoelektrischen Wandler und einen piezoelektrischen Aktuator
DE102019135245B9 (de) Piezoelektrische zusammensetzung und piezoelektrisches bauteil
DE102020128197A1 (de) Piezoelektrische dünnfilmvorrichtung
DE69923635T2 (de) Piezoelektrische Keramiken
DE102017106405A1 (de) Piezoelektrisches keramisches sputtertarget, bleifreier piezoelektrischer dünnfilm und piezoelektrisches dünnfilmelement unter verwendung der selbigen
DE102015104869A1 (de) Piezoelektrische Zusammensetzung und piezoelektrisches Element
DE112014002355B4 (de) Piezokeramische Elektronikkomponente
WO2010108988A1 (de) Bleizirkonattitanate und verfahren zu deren herstellung
DE102006004447A1 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102015101594B4 (de) Piezoelektrische Zusammensetzung und piezoelektrisches Element
DE102022119505A1 (de) Piezoelektrischer dünnfilm, piezoelektrisches dünnfilmelement und piezoelektrischer wandler
DE112017000678T5 (de) Piezoelektrisches Element
DE102006008742B4 (de) Bleifreier piezokeramischer Werkstoff mit Erdalkalidotierung, Verfahren zum Herstellen eines piezokeramischen Bauteils mit dem Werkstoff und Verwendung des Bauteils
DE102022120977A1 (de) Piezoelektrisches dünnfilmelement und piezoelektrischer wandler
DE102020100340A1 (de) Piezoelektrische zusammensetzung und piezoelektrische vorrichtung
DE102022104926A1 (de) Piezoelektrischer Dünnfilm, piezoelektrisches Dünnfilm-Element und piezoelektrischer Wandler
DE112022002911T5 (de) Piezoelektrisches dünnschichtelement, mikroelektromechanisches system und ultraschallwandler
US20210305485A1 (en) Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01L0041187000

Ipc: H10N0030853000