DE102022120977A1 - Piezoelektrisches dünnfilmelement und piezoelektrischer wandler - Google Patents

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Abstract

Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement enthält eine Elektrodenschicht (erste Elektrodenschicht) und einen piezoelektrischen Dünnfilm, der direkt oder indirekt auf die Elektrodenschicht gestapelt ist. Der piezoelektrische Dünnfilm enthält einen tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ und einen tetragonalen Kristall 2 eines Oxids vom Perowskit-Typ. Eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 ist in einer Normalenrichtung einer Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert. Eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt. Ein Abstand von (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 ist c1. Ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 ist a1. Ein Abstand von (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 ist c2. Ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 ist a2. c1/a1 ist größer als c2/a2.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Dünnfilmelement (piezoelektrische 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. Da PZT jedoch Blei (Pb) enthält, das die Umwelt und den menschlichen Körper schädigt, wurde die Entwicklung eines bleifreien piezoelektrischen Materials als Alternative zu PZT erwartet. 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 als 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× 10-12 Fm-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, ein piezoelektrisches Dünnfilmelement mit einem großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0) und einen piezoelektrischen Wandler, der dieses piezoelektrische Dünnfilmelement enthält, bereitzustellen.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement (piezoelektrische Dünnfilmvorrichtung) gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Elektrodenschicht und einen piezoelektrischen Dünnfilm, der direkt oder indirekt auf die Elektrodenschicht gestapelt ist. Der piezoelektrische Dünnfilm enthält einen tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ und einen tetragonalen Kristall 2 eines Oxids vom Perowskit-Typ. Eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 ist in einer Normalenrichtung auf die Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert. ((001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 können in der Normalenrichtung der Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert sein.) Eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt. ((001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 können in Bezug auf (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 geneigt sein.) Ein Abstand von (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 ist c1. Ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 ist a1. Ein Abstand von (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 ist c2. Ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 ist a2. cl/al ist größer als c2/a2.
  • Ein Absolutwert eines Winkels zwischen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist θ12. θ12 kann von 1,0° bis 10,0° betragen.
  • Das cl/al kann von 1,120 bis 1,270 betragen.
  • Das c2/a2 kann von 1,010 bis 1,115 betragen.
  • Eine Peak-Intensität von an der/den (001)-Ebene(n) des tetragonalen Kristalls 1 gebeugten Röntgenstrahlung ist I1. Eine Peak-Intensität von an der/den (001)-Ebene(n) des tetragonalen Kristalls 2 gebeugten Röntgenstrahlung ist I2. 100 × 12/(I1 + I2) kann von 0,30 bis 10,0 betragen.
  • Der tetragonale Kristall 1 kann Bismut, Eisen, ein Element EB und Sauerstoff enthalten. Bei dem Element EB kann es sich um mindestens ein Element handeln, 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 der aus Na, K, Ag und Ba bestehenden Gruppe ausgewählt ist. EB1 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. EB2 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. EB1 und EB2 in der nachstehenden chemischen Formel 1 sind voneinander verschieden. x1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann von 0,05 bis 0,90 betragen. y1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann von 0,10 bis 0,95 betragen. x1 + y1 kann 1,00 sein. α in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann von 0,00 bis 1,00 betragen. β in der nachstehenden chemischen Formel 1 kann von 0,00 bis 1,00 betragen. x1(Bi1-αEAα)(EB1 1-βEB2 β)O3-y1BiFeO3 (1)
  • Der tetragonale Kristall 2 kann Bismut, Eisen, ein Element EB und Sauerstoff enthalten. Bei dem Element EB kann es sich 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 durch die nachstehende chemische Formel 2 repräsentiert werden. EA in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann mindestens ein Element sein, das aus der aus Na, K, Ag und Ba bestehenden Gruppe ausgewählt ist. EB1 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. EB2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann mindestens ein Element sein, das aus der aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn bestehenden Gruppe ausgewählt ist. EB1 und EB2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 sind voneinander verschieden. x2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann von 0,05 bis 0,90 betragen. y2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann von 0,10 bis 0,95 betragen. x2 + y2 kann 1,00 sein. α in der nachstehenden chemischen Formel 2 kann von 0,00 bis 1,00 betragen. 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 (2)
  • Das piezoelektrische Dünnfilmelement gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann weiterhin ein kristallines Substrat und eine erste Zwischenschicht enthalten. Die erste Zwischenschicht kann zwischen dem kristallinen Substrat und der Elektrodenschicht angeordnet sein. Die erste Zwischenschicht kann ZrO2 und Y2O3 enthalten.
  • Das piezoelektrische Dünnfilmelement gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine zweite Zwischenschicht enthalten. Die zweite Zwischenschicht kann zwischen der Elektrodenschicht und dem piezoelektrischen Dünnfilm angeordnet sein. Die zweite Zwischenschicht kann mindestens eine Verbindung enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus BaTiO3, SrRu03 und LaNiO3 besteht.
  • Die Elektrodenschicht kann einen Platinkristall enthalten. Eine (002)-Ebene ((002)-Ebenen) des Platinkristalls kann in der Normalenrichtung der Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert sein. Eine (200)-Ebene ((200)-Ebenen) des Platinkristalls kann in einer In-Plane-Richtung der Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert sein.
  • Ein piezoelektrischer Wandler gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das oben beschriebene piezoelektrische Dünnfilmelement.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein piezoelektrisches Dünnfilmelement mit einem großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0) und ein piezoelektrischer Wandler, der dieses piezoelektrische Dünnfilmelement enthält, bereitgestellt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1Aist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
    • 1B ist eine perspektivische Explosionsansicht des in 1A gezeigten piezoelektrischen Dünnfilmelements.
    • 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, und 3B ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Einheitszelle eines tetragonalen Kristalls 2.
    • 4 ist eine schematische Ansicht, die (001)-Ebenen eines tetragonalen Kristalls 1 in einem piezoelektrischen Dünnfilm und (001)-Ebenen eines tetragonalen Kristalls 2 in dem piezoelektrischen Dünnfilm zeigt.
    • 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmelements (Ultraschallwandler) gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 6A und 6B zeigen reziproke Raumkarten von gebeugten Röntgenstrahlen herrührend von einem piezoelektrischen Dünnfilm, der in einem piezoelektrischen Dünnfilmelement des Beispiels 1 der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
  • DETAILLIERTE 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 werden gleiche oder gleichwertige Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die in 1A, 1B und 5 gezeigten X-, Y- und Z-Achsen sind drei orthogonal zueinander stehende Koordinatenachsen. Die Richtung jeder der drei Koordinatenachsen ist für 1A, 1B und 5 gleich.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält eine Elektrodenschicht und einen piezoelektrischen Dünnfilm, der direkt oder indirekt auf die Elektrodenschicht gestapelt ist. 1A ist eine Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der in 1A gezeigte Querschnitt ist senkrecht zu einer Oberfläche sowohl einer ersten Elektrodenschicht 7 als auch eines piezoelektrischen Dünnfilms 3. 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 3, der direkt oder indirekt auf die erste Elektrodenschicht 7 gestapelt ist, und eine zweite Elektrodenschicht 4 (obere Elektrodenschicht), die direkt oder indirekt auf dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 gestapelt ist. Das piezoelektrische Dünnfilmelement 10 kann weiterhin eine erste Zwischenschicht 5 enthalten. Die erste 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 ersten Zwischenschicht 5 gestapelt sein. Das piezoelektrische Dünnfilmelement 10 kann weiterhin eine zweite Zwischenschicht 6 enthalten. Die zweite Zwischenschicht 6 kann zwischen der ersten Elektrodenschicht 7 und dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 angeordnet sein, und der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann direkt auf eine Oberfläche der zweiten Zwischenschicht 6 gestapelt sein.
  • 1B ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10. In der perspektivischen Explosionsdarstellung in 1B sind das kristalline Substrat 8, die erste Zwischenschicht 5, die zweite Zwischenschicht 6 und die zweite Elektrodenschicht 4 nicht gezeigt. Eine Normalenrichtung DN einer Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 kann im Wesentlichen parallel zu einer Richtung (Z-Achsenrichtung) sein, in der das kristalline Substrat 8, die erste Zwischenschicht 5, die erste Elektrodenschicht 7, die zweite Zwischenschicht 6, der piezoelektrische Dünnfilm 3 und die zweite Elektrodenschicht 4 laminiert sind. Die Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 kann als Dickenrichtung der ersten Elektrodenschicht 7 umschrieben werden. Eine Normalenrichtung dn der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann im Wesentlichen parallel zur Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 verlaufen. Das heißt, die Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 sein. Die Normalenrichtung dn der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann als eine Dickenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms 3 bezeichnet werden. Die Dicke jedes des kristallinen Substrats 8, der ersten Zwischenschicht 5, der ersten Elektrodenschicht 7, der zweiten Zwischenschicht 6, des piezoelektrischen Dünnfilms 3 und der zweiten Elektrodenschicht 4 kann gleichmäßig sein.
  • Ein Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 muss nicht das kristalline Substrat 8 enthalten. Zum Beispiel kann das kristalline Substrat 8 nach der Bildung der ersten Elektrodenschicht 7 und des piezoelektrischen Dünnfilms 3 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. Für den Fall, dass das kristalline Substrat 8 als Elektrodenschicht (erste Elektrodenschicht 7) 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, das eine Funktion (elektrische Leitfähigkeit) als Elektrodenschicht hat, und den piezoelektrischen Dünnfilm 3 enthalten, der direkt oder indirekt auf das kristalline Substrat 8 gestapelt ist. Für den Fall, dass das Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 nicht die erste Elektrodenschicht 7, sondern das als Elektrodenschicht fungierende kristalline Substrat 8 enthält, kann mindestens eine der ersten Zwischenschicht 5 und der zweiten Zwischenschicht 6 zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 und dem kristallinen Substrat 8 angeordnet sein. Für den Fall, dass das Modifikationsbeispiel des piezoelektrischen Dünnfilmelements 10 nicht die erste Elektrodenschicht 7, sondern das als Elektrodenschicht fungierende kristalline Substrat 8 enthält, kann die Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 als Normalenrichtung einer Oberfläche des kristallinen Substrats 8 wiedergegeben werden.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm 3 enthält einen tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ und einen tetragonalen Kristall 2 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. Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann einen oder mehrere tetragonale Kristalle 1 und einen oder mehrere tetragonale Kristalle 2 enthalten. Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann aus einem oder mehreren tetragonalen Kristallen 1 und einem oder mehreren tetragonalen Kristallen 2 bestehen. Ein oder mehrere tetragonale Kristalle 1 und ein oder mehrere tetragonale Kristalle 2 können in dem piezoelektrischen Dünnfilm gemischt sein. Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann eine oder mehrere erste Domänen enthalten, die aus einem oder mehreren tetragonalen Kristallen 1 bestehen. Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann eine oder mehrere zweite Domänen enthalten, die aus einem oder mehreren tetragonalen Kristallen 2 bestehen. Zum Beispiel können eine oder mehrere erste Domänen und eine oder mehrere zweite Domänen (abwechselnd) entlang der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 angeordnet sein. Eine oder mehrere erste Domänen und eine oder mehrere zweite Domänen können (abwechselnd) entlang der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 angeordnet sein. Jede erste Domäne kann ein säulenförmiger Kristall sein, der sich entlang der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 erstreckt. Jede zweite Domäne kann ein säulenförmiger Kristall sein, der sich entlang der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 erstreckt. Der Gesamtanteil der Elemente, die den tetragonalen Kristall 1 und den tetragonalen Kristall 2 in dem piezoelektrischen Dünnfilm bilden, kann von 99 bis 100 Mol-% betragen.
  • Der tetragonale Kristall 1 kann Bismut (Bi), Eisen (Fe), ein Element EB und Sauerstoff (O) enthalten. Das 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 Elementen EB enthalten. Beispielsweise kann der tetragonale Kristall 1 EB1 und EB2 als das Element EB enthalten. Der tetragonale Kristall 1 kann weiterhin ein Element EA zusätzlich zu Bi, Fe, EB und O enthalten. Das Element EA kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Natrium (Na), Kalium (K), Silber (Ag) und Barium (Ba) 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 auch eine Mehrzahl von Elementen EB enthalten. Beispielsweise kann der tetragonale Kristall 2 EB1 und EB2 als das Element EB enthalten. Der tetragonale Kristall 2 kann weiterhin ein Element EA zusätzlich zu Bi, Fe, EB und O enthalten. Das im tetragonalen Kristall 2 enthaltene Element EA kann auch mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Natrium, Kalium, Silber und Barium besteht. Der tetragonale Kristall 2 kann auch eine Mehrzahl von EA's enthalten.
  • Die Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 1 kann mit der Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 2 identisch sein. Die Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 1 kann sich von der Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 2 unterscheiden. Die Zusammensetzung jedes des tetragonalen Kristalls 1 und des tetragonalen Kristalls 2 kann im Wesentlichen die gleiche sein wie die Zusammensetzung des gesamten piezoelektrischen Dünnfilms 3. Sowohl der tetragonale Kristall 1 als auch 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.
  • 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.
  • 3A zeigt eine Einheitszelle uc1 des tetragonalen Kristalls 1. Der Einfachheit halber sind EB und O (Sauerstoff), die die Einheitszelle uc1 bilden, weggelassen, aber die Einheitszelle uc1 in 3Ahat die gleiche Perowskitstruktur wie die Einheitszelle uc in 2.
  • Jeder von a1, b1 und c1 in 3Aist 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). Eine Länge (c1) des Vektors c1 ist ein Abstand von (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.
  • 3B zeigt eine Einheitszelle uc2 des tetragonalen Kristalls 2. Der Einfachheit halber sind EB und O (Sauerstoff), die die Einheitszelle uc2 bilden, weggelassen, aber die Einheitszelle uc2 in 3B hat die gleiche Perowskitstruktur wie die Einheitszelle uc in 2.
  • Jeder von a2, b2 und c2 in 3B ist ein primitiver Gittervektor des tetragonalen Kristalls 2. Der Vektor a2 in 3B entspricht dem Vektor a in 2. Der Vektor b2 in 3B entspricht dem Vektor b in 2. Der Vektor c2 in 3B 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). Eine Länge (c2) des Vektors c2 ist ein Abstand von (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.
  • c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 ist größer als c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2. Das heißt, die Anisotropie des tetragonalen Kristalls 1 ist größer als die Anisotropie des tetragonalen Kristalls 2. Wie in 1B und 3A gezeigt, ist zumindest ein Teil oder die Gesamtheit der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 (Einheitszelle uc1) in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert. Zum Beispiel kann zumindest ein Teil oder die gesamte (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 verlaufen. Zumindest ein Teil oder die Gesamtheit der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 (Einheitszelle uc1) kann in der Normalenrichtung dn der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 orientiert sein. Zum Beispiel kann zumindest ein Teil oder die gesamte (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 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 ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, so dass der piezoelektrische Dünnfilm 3 hervorragende piezoelektrische Eigenschaften aufweisen kann. Aus demselben Grund kann der piezoelektrische Dünnfilm 3 ein ferroelektrisches Material sein. Die unten beschriebene „kristalline Orientierung“ bedeutet, dass die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert ist.
  • Wenn der piezoelektrische Dünnfilm 3 die oben beschriebene kristalline Orientierung aufweist, kann der piezoelektrische Dünnfilm 3 einen großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0) haben. Die oben beschriebene kristalline Orientierung ist ein besonderes Merkmal einer dünnen Schicht. Ein dünner Film 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 3 mit der oben beschriebenen kristallinen Ausrichtung zu erhalten. Dies liegt 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.
  • 4 zeigt die Orientierungsrichtungen der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 in dem piezoelektrischen Dünnfilm und die Orientierungsrichtungen der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 in dem piezoelektrischen Dünnfilm. Die Konfiguration sowohl des tetragonalen Kristalls 1 als auch des tetragonalen Kristalls 2 in dem piezoelektrischen Dünnfilm ist jedoch nicht auf die in 4 gezeigte beschränkt. (001)-T1 in 4 bedeutet die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1. (001)-T2 in 4 bedeutet die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2. Die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in 4 und die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in 4 werden in einem beliebigen Querschnitt des piezoelektrischen Dünnfilms 3 betrachtet, der parallel zur Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 geschnitten ist. Wie in 4 gezeigt, ist zumindest ein Teil oder die Gesamtheit der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 in Bezug auf die (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 geneigt. Mit anderen Worten ist zumindest ein Teil oder die Gesamtheit der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 nicht senkrecht zur Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7. Mit anderen Worten muss zumindest ein Teil oder die Gesamtheit der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 nicht parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 verlaufen.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann einen großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0) aufgrund der kristallinen Orientierung des tetragonalen Kristalls 1 und der Neigung der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 aufweisen. Der Erfinder vermutet, dass der piezoelektrische Dünnfilm 3 durch den folgenden Mechanismus einen großen piezoelektrischen Leistungsindex (d33,f/εrε0) aufweisen kann.
  • Da die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert ist und cl/al des tetragonalen Kristalls 1 größer ist als c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2, wird der piezoelektrische Dünnfilm 3 wahrscheinlich eine niedrige relative Permittivität εr aufweisen, die vom tetragonalen Kristall 1 herrührt. Da die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt ist, ist eine Drehung der Polarisationsachse des tetragonalen Kristalls 2 zum Zeitpunkt des Anlegens eines elektrischen Feldes wahrscheinlich, und der piezoelektrische Dünnfilm 3 hat wahrscheinlich eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f, die vom tetragonalen Kristall 2 herrührt. Aus dem obigen Grund werden sowohl eine niedrige relative Permittivität εr als auch eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f erreicht, und somit kann der piezoelektrische Dünnfilm 3 einen größeren piezoelektrischen Leistungsindex (d33/εrε0) aufweisen.
  • Der obige Mechanismus ist eine Hypothese, und der technische Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht durch den obigen Mechanismus begrenzt.
  • Zum Beispiel kann der piezoelektrische Leistungsindex (d33,f/εrε0) des piezoelektrischen Dünnfilms 3 von 180 × 10-3 V. m/N bis 273× 10-3 V. m/N oder von 200 × 10-3 V. m/N bis 246 × 10-3 V. m/N betragen.
  • Die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann beispielsweise von 62 pC/N bis 150 pC/N oder von 84 pC/N bis 129 pC/N betragen.
  • Die relative Permittivität εr (oder ε33) des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann beispielsweise von 39 bis 89 oder von 41 bis 64 betragen.
  • Wie in 4 gezeigt, ist ein Absolutwert eines Winkels zwischen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 θ12. θ12 kann von 1,0° bis 10,0° betragen. Das heißt, der Absolutwert θ12 des Winkels zwischen (001)-T1 und (001)-T2 in 4 kann von 1,0° bis 10,0° betragen. Für den Fall, dass θ12 1,0° oder mehr beträgt, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ausreichend geneigt, so dass der piezoelektrische Dünnfilm 3 wahrscheinlich eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f aufweist. Für den Fall, dass θ12 10° oder weniger beträgt, ist die kristalline Orientierung des tetragonalen Kristalls 1 kaum beeinträchtigt, so dass der piezoelektrische Dünnfilm 3 wahrscheinlich eine große piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f aufweist.
  • Ein Abstand von (100)-Ebenen eines Kristalls (unterer Kristall), der in der ersten Elektrodenschicht 7 oder der zweiten Zwischenschicht 6 enthalten ist, wird durch aL repräsentiert. aL ist vorzugsweise nicht gleich a1. Zum Beispiel kann aL größer als a1 sein. aL kann kleiner als a1 sein. Eine Gitterfehlanpassungsrate Δa ist definiert als 100 × (aL - al)/al. Ein Absolutwert der Gitterfehlanpassungsrate Δa kann zum Beispiel von 3,0 % bis 12,1 % betragen. Das heißt, ein Absolutwert von 100 × (aL - al)/al kann von 3,0 bis 12,1 betragen. Für den Fall, dass aL nicht gleich a1 ist und der Absolutwert von Δa innerhalb des obigen Bereichs liegt, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, cl/al ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 kann leicht von 1.0° bis 10,0° eingestellt werden. a1 hängt von der Zusammensetzung und der kristallinen Struktur des piezoelektrischen Dünnfilms 3 ab, und aL hängt von der Zusammensetzung und der kristallinen Struktur der ersten Elektrodenschicht 7 oder der zweiten Zwischenschicht 6 ab. Daher kann die Gitterfehlanpassungsrate Δa durch Auswahl und Kombination der Zusammensetzung und der kristallinen Struktur jedes des piezoelektrischen Dünnfilms 3, der ersten Elektrodenschicht 7 und der zweiten Zwischenschicht 6 gesteuert werden.
  • Im Gegensatz zu dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 ist die Verformung der kristallinen Struktur, die auf eine Gitterfehlanpassung zurückzuführen ist, im Bulk des piezoelektrischen Materials schwer zu erreichen. Daher sind die meisten Oxide vom Perowskit-Typ, die den Bulk des piezoelektrischen Materials bilden, kubische Kristalle, und es besteht die Tendenz, dass es beim Bulk des piezoelektrischen Materials schwieriger als beim piezoelektrischen Dünnfilm 3 ist, piezoelektrische Eigenschaften zu haben, die dem tetragonalen Kristall des Oxids vom Perowskit-Typ zuzuschreiben sind.
  • Der Abstand, die Orientierungsrichtung jeder Kristallebene sowohl des tetragonalen Kristalls 1 als auch des tetragonalen Kristalls 2 und θ12 können auf der Grundlage von Röntgenbeugungsmustern (XRD) des piezoelektrischen Dünnfilms 3 bestimmt werden, die in einer Out-of-Plane-Richtung und einer In-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 gemessen werden. Die Kristallebene kann als Gitternetzebene bezeichnet werden. Der Abstand und die Orientierungsrichtung jeder Kristallebene sowohl des tetragonalen Kristalls 1 als auch des tetragonalen Kristalls 2 können durch reziproke Raumabbildung festgelegt werden. Das heißt, der tetragonale Kristall 1 und der tetragonale Kristall 2 können unter Verwendung einer reziproken Raumkarte des Röntgenbeugungsmusters des piezoelektrischen Dünnfilms 3 erfasst und voneinander unterschieden werden. Die reziproke Raumkarte kann als Karte der Intensitätsverteilung der gebeugten Röntgenstrahlen im reziproken Raum wiedergegeben werden. Die reziproke Raumkarte kann beispielsweise durch Messen der Intensitäten der gebeugten Röntgenstrahlen des piezoelektrischen Dünnfilms 3 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. Zum Beispiel kann die reziproke Raumkarte aus Röntgenbeugungsmustern gebildet sein, die durch ω-Scanning und 2θ/ω-Scanning gemessen wurden. Die reziproke Raumkarte kann eine zweidimensionale Karte in einem Koordinatensystem sein, das aus einer horizontalen Achse und einer vertikalen Achse gebildet wird, die orthogonal zueinander sind. Die horizontale Achse der zweidimensionalen reziproken Raumkarte kann einen Wert repräsentieren, der dem Kehrwert der Gitterkonstante in der In-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 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 repräsentieren, der dem Kehrwert der Gitterkonstanten in der Normalenrichtung dn der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 entspricht. Zum Beispiel kann die vertikale Achse der reziproken Raumkarte einen Wert repräsentieren, 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 den gebeugten Röntgenstrahlen, die von einer Kristallebene eines Kristalls des tetragonalen Kristalls 1 oder des tetragonalen Kristalls 2 herrühren. Der Abstand und die Orientierungsrichtung einer Kristallebene eines Kristalls des tetragonalen Kristalls 1 oder des tetragonalen Kristalls 2 können anhand der Koordinate eines Flecks in der reziproken Raumkarte angegeben werden.
  • 6A und 6B zeigen Beispiele für die reziproken Raumkarten des piezoelektrischen Dünnfilms 3. S-T1 in 6Aist ein Punkt, der einer (003)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 entspricht. S-T2 in 6A ist ein Punkt, der einer (003)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 entspricht. S-T1 in 6B ist ein Fleck, der einer (103)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 entspricht. S-T2 in 6B ist ein Fleck, der einer (103)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 entspricht. Eine Differenz zwischen der Koordinate von S-T1 und der Koordinate von S-T2 zeigt eine Neigung der (003)-Ebene (und der (001)-Ebene) des tetragonalen Kristalls 2 in Bezug auf die (003)-Ebene (und die (001)-Ebene) des tetragonalen Kristalls 1 an. Das heißt, die Differenz zwischen der Koordinate von S-T1 und der Koordinate von S-T2 gibt θ12 an.
  • c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 kann von 1,120 bis 1,270 oder von 1,120 bis 1,267 betragen. Für den Fall, dass cl/al 1,120 oder mehr beträgt, hat der piezoelektrische Dünnfilm 3 wahrscheinlich eine niedrige relative Permittivität, die von dem tetragonalen Kristall 1 abgeleitet ist, und somit wird der piezoelektrische Leistungsindex des piezoelektrischen Dünnfilms 3 wahrscheinlich steigen. Für den Fall, dass cl/al 1,270 oder weniger beträgt, wird die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich auftreten, und somit wird der piezoelektrische Leistungsindex des piezoelektrischen Dünnfilms 3 wahrscheinlich zunehmen. Zum Beispiel kann c1 von 4,420 Ä bis 4,700 Å betragen. Zum Beispiel kann a1 von 3,700 Ä bis 3,940 Å betragen.
  • c2/a2 kann von 1,010 bis 1,115 oder von 1,014 bis 1,111 betragen. Für den Fall, dass c2/a2 innerhalb des obigen Bereichs liegt, wird die Polarisationsumkehr des tetragonalen Kristalls 2 wahrscheinlich auftreten, der piezoelektrische Dünnfilm 3 wird wahrscheinlich einen großes d33,f haben, der von dem tetragonalen Kristall 2 abgeleitet ist, und somit wird der piezoelektrische Dünnfilm 3 wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex haben. Wenn c2/a2 außerhalb des oben genannten Bereichs liegt, ist die relative Permittivität des tetragonalen Kristalls 2 tendenziell zu hoch, oder die piezoelektrischen Eigenschaften des tetragonalen Kristalls 2 selbst verschlechtern sich tendenziell. Zum Beispiel kann c2 von 4,000 Å bis 4,215 Å betragen. Zum Beispiel kann a2 von 3,781 Ä bis 3,961 Å oder von 3,843 Ä bis 3,961 Å betragen.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann weiterhin eine Spurenmenge eines anderen Kristalls als den tetragonalen Kristall 1 und den tetragonalen Kristall 2 enthalten.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann zum Beispiel einen dritten tetragonalen Kristall als tetragonalen Kristall eines Oxids vom Perowskit-Typ enthalten. Eine (001)-Ebene des dritten tetragonalen Kristalls kann in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein. Der Abstand von (001)-Ebenen des dritten tetragonalen Kristalls ist c3. Der Abstand von (100)-Ebenen des dritten tetragonalen Kristalls ist a3. c3/a3 kann kleiner sein als cl/al. c3/a3 des dritten tetragonalen Kristalls kann von 1,010 bis 1,115 betragen. Die Zusammensetzung des dritten tetragonalen Kristalls kann dieselbe sein wie die Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 1 oder des tetragonalen Kristalls 2. Die Zusammensetzung des dritten tetragonalen Kristalls kann sich von der Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 1 oder des tetragonalen Kristalls 2 unterscheiden. Der dritte tetragonale Kristall kann mit Ausnahme der Richtung, in der die (001)-Ebene orientiert ist, mit dem tetragonalen Kristall 2 gleich sein.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann beispielsweise auch einen rhomboedrischen Kristall eines Oxids vom Perowskit-Typ enthalten. Eine (001)-Ebene des rhomboedrischen Kristalls kann in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein. Der Abstand a4 der (001)-Ebenen des rhomboedrischen Kristalls kann im Wesentlichen der gleiche sein wie der Abstand c3 der (001)-Ebenen des dritten tetragonalen Kristalls. Die Zusammensetzung des rhomboedrischen Kristalls kann die gleiche sein wie die Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 1, des tetragonalen Kristalls 2 oder des dritten tetragonalen Kristalls. Die Zusammensetzung des rhomboedrischen Kristalls kann sich von der Zusammensetzung des tetragonalen Kristalls 1, des tetragonalen Kristalls 2 oder des dritten tetragonalen Kristalls unterscheiden.
  • Eine Peak-Intensität (maximale Intensität) von an der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 gebeugten Röntgenstrahlen ist I1. Eine Peak-Intensität (maximale Intensität) von an der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 gebeugten Röntgenstrahlen ist I2. 100 × I2/(I1 + I2) kann von 0,30 bis 10,0 oder von 0,40 bis 9,80 betragen. Wenn 100 × I2/(I1 + I2) innerhalb der oben genannten Bereiche liegt, sind sowohl eine niedrige relative Permittivität (εr), die von dem tetragonalen Kristall 1 herrührt, als auch eine große piezoelektrische Dehnungskonstante (d33,f), die von dem tetragonalen Kristall 2 herrührt, leicht vereinbar. Infolgedessen wird der piezoelektrische Dünnfilm 3 wahrscheinlich einen großen piezoelektrischen Leistungsindex aufweisen. Eine Einheit sowohl von I1 als auch von I2 kann z. B. cps (counts per second) sein. I1 und I2 können durch Out-of-Plane-Messung an der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 bestimmt werden. Die Messbedingungen sowohl für I1 als auch für I2 können so eingestellt werden, dass die Intensität sowohl von I1 als auch von I2 mindestens dreistellig oder höher ist als die Hintergrundintensität.
  • I1 kann proportional zur Gesamtfläche der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 sein, und I2 kann proportional zur Gesamtfläche der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 sein. Mit anderen Worten kann I1 kann proportional zur Menge des tetragonalen Kristalls 1 sein, der in dem piezoelektrischen Dünnfilm enthalten ist, und I2 kann proportional zur Menge des tetragonalen Kristalls 2 sein, der in dem piezoelektrischen Dünnfilm enthalten ist. Daher kann I2/(I1 + I2) ein Häufigkeitsverhältnis des tetragonalen Kristalls 2 in Bezug auf die Gesamtmenge des tetragonalen Kristalls 1 und des tetragonalen Kristalls 2 sein. Das heißt, das Häufigkeitsverhältnis I2/(I1 + I2) des tetragonalen Kristalls 2 in Bezug auf die Gesamtmenge des tetragonalen Kristalls 1 und des tetragonalen Kristalls 2 kann 0,30% oder mehr und weniger als 10,0% betragen.
  • Der Grad der Orientierung jeder der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 kann durch den Orientierungsgrad quantifiziert werden. Je größer der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist, desto größer ist der piezoelektrische Dünnfilm 3, der einen großen piezoelektrischen Leistungsindex aufweist. Der Orientierungsgrad jeder Kristallebene kann auf der Grundlage eines Peaks der gebeugten Röntgenstrahlen berechnet werden, die von jeder Kristallebene herrühren. Der Peak der gebeugten Röntgenstrahlung, die von jeder Kristallebene herrühren, kann durch eine Out-of-Plane-Messung an der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 gemessen werden.
  • Der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 kann durch 100 × I1/ΣI1(hkl) repräsentiert 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 des piezoelektrischen Dünnfilms 3. 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) von an der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 gebeugten Röntgenstrahlen, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3. I1(110) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) von an einer (110)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 gebeugten Röntgenstrahlen, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3. I1(111) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) von an einer (1 11)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 gebeugten Röntgenstrahlung, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3.
  • Der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 kann durch 100 × 12/ΣI2(hkl) repräsentiert werden. Σl2(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 des piezoelektrischen Dünnfilms 3. ΣI2(hkl) 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) von an der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 gebeugten Röntgenstrahlen, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3. I2(110) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) von an einer (110)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 gebeugten Röntgenstrahlung, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3. I2(111) ist eine Peak-Intensität (maximale Intensität) von an einer (111)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 gebeugten Röntgenstrahlung, gemessen in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3.
  • Der Orientierungsgrad jeder der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 kann durch einen Orientierungsgrad F auf der Grundlage einer Lotgering-Methode quantifiziert werden. Selbst im Fall 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 gegenüber den anderen Kristallebenen des tetragonalen Kristalls 1 bevorzugt in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein. Die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 kann gegenüber den anderen Kristallebenen des tetragonalen Kristalls 2 in der Out-of-Plane-Richtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 orientiert sein.
  • 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)(EB1 1-βEB2 β)O3-y1BiFeO3 (1) (Bix1(1-α)+y1EA x1α)(EB1 x1(1-α)EB2 x1βFey1)O3±δ (1a)
  • x1 + y1 in der obigen chemischen Formel 1 kann 1,00 sein. EA in der obigen chemischen Formel 1 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Na, K, Ag und Ba besteht. EB1 in der obigen chemischen Formel 1 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn besteht. EB2 in der obigen chemischen Formel 1 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn besteht. EB1 und EB2 sind voneinander verschieden. Eine Einheit von jedem von α, β, x1 und y1 kann Mol sein.
  • Bix1(1-α)+y1EA x1α in der obigen chemischen Formel 1a entspricht den Elementen, die sich an der A-Stelle der Perowskitstruktur befinden. EB1 x1(1-β)EB2 x1βFey1 in der obigen chemischen Formel 1a entspricht Elementen, die sich an der B-Stelle der Perowskit-Struktur befinden.
  • x1 in der obigen chemischen Formel 1 kann von 0,05 bis 0,90 betragen. Für den Fall, dass x1 von 0,05 bis 0,90 beträgt, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, cl/al ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 kann leicht von 1,0° bis 10,0° eingestellt werden.
  • y1 in der obigen chemischen Formel 1 kann von 0,10 bis 0,95 betragen. Für den Fall, dass y1 von 0,10 bis 0,95 beträgt, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, cl/al ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 kann leicht von 1,0° bis 10,0° eingestellt werden.
  • α in der obigen chemischen Formel 1 kann von 0,00 bis 1,00 betragen.α kann 0,00 oder 0,50 betragen. β in der obigen chemischen Formel 1 kann von 0,00 bis 1,00 betragen. β kann 0,00 oder 0,50 betragen.
  • 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. Zum Beispiel kann δ mehr als 0 sowie 1,0 oder weniger betragen. 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 jedes Ions 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 EB1, EB2 und Fe, 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-αEAα)(EB1 1-βEB2 β)O3-y2BiFeO3 (2) (Bix2(1-α)+y2EA x2α)(EB1 x2(1-β)EB2 x2βFey2)O3±δ (2a)
  • x2 + y2 in der obigen chemischen Formel 2 kann 1,00 sein. EA in der obigen chemischen Formel 2 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Na, K, Ag und Ba besteht. EB1 in der obigen chemischen Formel 2 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn besteht. EB2 in der obigen chemischen Formel 2 kann mindestens ein Element sein, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn besteht. EB1 und EB2 sind voneinander verschieden. Eine Einheit von jedem von α, β, x2 und y2 kann Mol sein.
  • EA in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von EA in der obigen chemischen Formel 1. EB1 in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von EB1 in der obigen chemischen Formel 1. EB2 in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von EB2 in der obigen chemischen Formel 1. x2 in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von x1 in der obigen chemischen Formel 1. y2 in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von y1 in der obigen chemischen Formel 1. α in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von α in der obigen chemischen Formel 1. β in der obigen chemischen Formel 2 kann gleich oder verschieden sein von β in der obigen chemischen Formel 1.
  • Bix2(1-α)+y2EA x2α in der obigen chemischen Formel 2a entspricht den Elementen, die sich an der A-Stelle der Perowskitstruktur befinden. EB1 x2(1-β)EB2 x2βFey2 in der obigen chemischen Formel 2a entspricht Elementen, die sich an der B-Stelle der Perowskit-Struktur befinden.
  • x2 in der obigen chemischen Formel 2 kann von 0,05 bis 0,90 betragen. Für den Fall, dass x2 von 0,05 bis 0,90 beträgt, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, cl/al ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 kann leicht von 1,0° bis 10,0° eingestellt werden.
  • y2 in der obigen chemischen Formel 2 kann von 0,10 bis 0,95 betragen. Für den Fall, dass y2 von 0,10 bis 0,95 beträgt, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, cl/al ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 kann leicht von 1,0° bis 10,0° eingestellt werden.
  • α in der obigen chemischen Formel 2 kann von 0,00 bis 1,00 betragen. α kann 0,00 oder 0,50 betragen. β in der obigen chemischen Formel 2 kann von 0,00 bis 1,00 betragen. β kann 0,00 oder 0,50 betragen.
  • 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. Zum Beispiel kann δ mehr als 0 sowie 1,0 oder weniger betragen. δ kann beispielsweise aus der Valenz jedes Ions berechnet werden, die sich jeweils an der A-Stelle und der B-Stelle des tetragonalen Kristalls 2 befinden. Die Valenz jedes Ions kann mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen werden.
  • Der Gesamtwert der Molzahl von Bi und EA, die in dem tetragonalen Kristall 2 enthalten sind, kann durch [A]2 repräsentiert werden, der Gesamtwert der Molzahl von EB1, EB2 und Fe, 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 piezoelektrische Dünnfilm 3 kann ein epitaktischer Film sein. Das heißt, der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann durch epitaktisches Wachstum gebildet werden. Der piezoelektrische Dünnfilm 3 mit hervorragender Anisotropie und kristalliner Ausrichtung lässt sich leicht durch epitaktisches Wachstum herstellen.
  • Die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms 3 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 kann beispielsweise von 500 nm bis 10000 nm betragen. Die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) im Querschnitt des piezoelektrischen Dünnfilms 3 parallel zur Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 gemessen werden. Das kristalline Substrat (8), die erste Zwischenschicht (5), die erste Elektrodenschicht (7), die zweite Zwischenschicht (6), der piezoelektrische Dünnfilm (3) und die zweite Elektrodenschicht (4) können anhand eines Helligkeitsunterschieds in einem Rückstreuelektronenbild des Querschnitts des piezoelektrischen Dünnfilmelements (10) voneinander unterschieden werden. Die Dicke jedes des kristallinen Substrats (8), der ersten Zwischenschicht (5), der ersten Elektrodenschicht (7), der zweiten Zwischenschicht (6) und der zweiten Elektrodenschicht (4) kann nach demselben Verfahren gemessen werden wie die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms (3).
  • Die Fläche der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann beispielsweise von 1 µm2 bis 500 mm2 betragen. Die Fläche jedes des kristallinen Substrats 8, der ersten Zwischenschicht 5, der ersten Elektrodenschicht 7, der zweiten Zwischenschicht 6 und der zweiten Elektrodenschicht 4 kann dieselbe sein wie die Fläche des piezoelektrischen Dünnfilms 3.
  • Die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann beispielsweise durch mindestens ein Verfahren aus der Gruppe der Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF), der Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert werden. Der piezoelektrische Dünnfilm 3 kann in einer Richtung geschnitten werden, die im Wesentlichen parallel zur Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 verläuft, und die Zusammensetzung jedes des tetragonalen Kristalls 1 und des tetragonalen Kristalls 2 kann durch Analyse des Querschnitts des piezoelektrischen Dünnfilms 3 bestimmt werden. Bei der Analyse des Querschnitts des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann ein energiedispersiver Röntgenanalysator (EDX) verwendet werden, der in ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) oder ein Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) integriert ist. Die kristalline Struktur und die kristalline Ausrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann eine kristalline Struktur und eine kristalline Ausrichtung bei Normaltemperatur sein.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm 3 wird durch den folgenden Schichtbildungsschritt direkt auf der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 oder der zweiten Zwischenschicht 6 gebildet. Beim Filmbildungsschritt wird der piezoelektrische Dünnfilm 3 durch ein Pulslaserdepositionsverfahren (PLD) unter Verwendung eines Targets gebildet. Das Target ist ein Ausgangsmaterial für den piezoelektrischen Dünnfilm 3. Das Target kann aus allen Elementen zusammengesetzt sein, die allen Elementen des piezoelektrischen Dünnfilms 3 gemeinsam sind. Die Zusammensetzung des Targets kann so angepasst werden, dass das Molverhältnis jedes Elements, das das Target bildet, im Wesentlichen mit dem Molverhältnis jedes Elements, das den piezoelektrischen Dünnfilm 3 bildet, übereinstimmt. Zum Beispiel kann das Molverhältnis jedes Elements, das das Target bildet, im Wesentlichen mit dem Molverhältnis jedes Elements der obigen chemischen Formel 1 oder der obigen chemischen Formel 2 übereinstimmen.
  • Beim PLD-Verfahren wird das Target mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, so dass das Element, das das Target bildet, in einen Plasmazustand umgewandelt wird, um zu verdampfen. Gemäß des PLD-Verfahrens kann jedes Element, das das Target bildet, in einem Moment gleichmäßig in einen Plasmazustand umgewandelt werden. Infolgedessen wird das Molverhältnis jedes Elements in dem piezoelektrischen Dünnfilm wahrscheinlich im Wesentlichen mit dem Molverhältnis jedes Elements in jedem Target übereinstimmen, und die Entmischung des Elements in dem piezoelektrischen Dünnfilm wird leicht unterdrückt. Darüber hinaus kann der piezoelektrische Dünnfilm 3 mit dem PLD-Verfahren leicht epitaktisch gewachsen werden, so dass der piezoelektrische Dünnfilm 3, der auf atomarer Ebene dicht ist, leicht gebildet werden kann. Das gepulste Laserlicht kann beispielsweise von einem Excimer-Laser wie einem KrF-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm sein.
  • Beim PLD-Verfahren wird die Fluenz des gepulsten Laserlichts gesteuert. Die Fluenz wird als Energiedichte (Einheit: mJ/cm2) des gepulsten Laserlichts angegeben, mit der das Target bestrahlt wird. Die Fluenz des gepulsten Laserlichts kann auch als Energie des gepulsten Laserlichts pro Flächeneinheit der Oberfläche des Targets angegeben werden. Die Fluenz des gepulsten Laserlichts kann von 8 mJ/cm2 bis 12 mJ/cm2 betragen. Für den Fall, dass die Fluenz des gepulsten Laserlichts von 8 mJ/cm2 bis 12 mJ/cm2 beträgt, wird die Epitaxie-Wachstumsrate des piezoelektrischen Dünnfilms 3 mäßig unterdrückt, so dass die Gitterfehlanpassung zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 und der ersten Elektrodenschicht 7 oder die Gitterfehlanpassung zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 und der zweiten Zwischenschicht 6 das Wachstum des piezoelektrischen Dünnfilms 3 mäßig beeinflusst. Infolgedessen ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, cl/al ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 ist leicht von 1,0° bis 10,0° zu steuern. Für den Fall, dass die Fluenz des gepulsten Laserlichts weniger als 8 mJ/cm2 beträgt, ist es schwierig, dass der piezoelektrische Dünnfilm 3 eine Kristallinität aufweist, und es ist schwierig, dass die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert ist. Für den Fall, dass die Fluenz des gepulsten Laserlichts mehr als 12 mJ/cm2 beträgt, ist es schwierig, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 zu neigen. Das heißt, für den Fall, dass die Fluenz des gepulsten Laserlichts mehr als 12 mJ/cm2 beträgt, ist die epitaktische Wachstumsrate des piezoelektrischen Dünnfilms 3 übermäßig schnell, und daher ist es schwierig, dass die Gitterfehlanpassung das Wachstum des piezoelektrischen Dünnfilms 3 beeinflusst. Infolgedessen ist nicht nur die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, sondern auch die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert.
  • Bei der PLD-Methode können die Wachstumsrate des piezoelektrischen Dünnfilms 3 und die Anisotropie und Ausrichtung sowohl des tetragonalen Kristalls 1 als auch des tetragonalen Kristalls 2 durch Änderung der Anzahl der Pulse (Wiederholungsfrequenz) des gepulsten Laserlichts gesteuert werden. Mit einer Verringerung der Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserlichts nimmt die Wachstumsrate des piezoelektrischen Dünnfilms 3 ab, und die Anisotropie sowohl des tetragonalen Kristalls 1 als auch des tetragonalen Kristalls 2 sowie die Ausrichtung der Kristallebene sowohl des tetragonalen Kristalls 1 als auch des tetragonalen Kristalls 2 werden verstärkt. Die Wiederholungsfrequenz f des gepulsten Laserlichts beim Filmbildungsschritt kann zum Beispiel etwa 10 Hz betragen. Für den Fall, dass die Wiederholungsfrequenz f des gepulsten Laserlichts 10 Hz beträgt, ist die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, c1/a1 ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 ist leicht von 1,0° bis 10,0° zu steuern.
  • Das Target, das als Ausgangsmaterial für den piezoelektrischen Dünnfilm 3 dient, kann nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden.
  • Als Ausgangsmaterial für das Target kann zum Beispiel ein Oxid von jedem von Bi, EA, EB und Fe verwendet werden. Als Ausgangsmaterial kann anstelle eines Oxids auch eine Substanz verwendet werden, die durch Sintern zu einem Oxid wird, wie beispielsweise ein Carbonat oder Oxalat. Nachdem diese Ausgangsmaterialien ausreichend bei 100°C oder mehr getrocknet wurden, wird jedes Ausgangsmaterial gewogen, so dass das Molverhältnis von jedem von Bi, EA, EB und Fe mit dem Molverhältnis jedes Elements in dem piezoelektrischen Dünnfilm übereinstimmt. Beim Filmbildungsschritt verflüchtigt sich das Bi im Target wahrscheinlich eher als die anderen Elemente. Daher kann das molare Verhältnis von Bi im Target auf einen Wert eingestellt werden, der höher ist als das molare Verhältnis von Bi in dem piezoelektrischen Dünnfilm. Im Falle der Verwendung eines Rohmaterials, das K als EA enthält, ist es wahrscheinlich, dass sich das K im Target im Vergleich zu anderen Elementen verflüchtigt. Daher kann das molare Verhältnis von K im Target auf einen Wert eingestellt werden, der höher ist als das molare Verhältnis von K in dem piezoelektrischen Dünnfilm.
  • Die eingewogenen 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 Temperaturerhöhungs- und -senkungsrate des Formkörpers im Sinterprozess kann beispielsweise von 50°C/Std. bis 300°C/Std. betragen.
  • Das Target wird durch die oben genannten Schritte hergestellt. Die durchschnittliche Korngröße der Kristallkörner des im Target enthaltenen Oxids vom Perowskit-Typ kann z. B. 1 µm bis 20 µm betragen.
  • Beim Filmbildungsschritt werden die Elemente, die das Target bilden, in einer Vakuumatmosphäre durch das PLD-Verfahren verdampft. Die verdampften Elemente werden an der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 oder der zweiten Zwischenschicht 6 angebracht und abgeschieden, um den piezoelektrischen Dünnfilm 3 zu bilden. Beim Filmbildungsschritt kann der piezoelektrische Dünnfilm in einer Vakuumkammer gebildet werden, während das Innere der Vakuumkammer geheizt wird. Die Temperatur (Filmbildungstemperatur) in der Vakuumkammer kann zum Beispiel von 450°C bis 600°C betragen. Je höher die Filmbildungstemperatur ist, desto sauberer wird die Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 oder der zweiten Zwischenschicht 6 und desto besser ist wahrscheinlich die Kristallinität des piezoelektrischen Dünnfilms 3. Für den Fall, dass die Filmbildungstemperatur übermäßig hoch ist, ist es schwierig, dass der piezoelektrische Dünnfilm 3 eine Kristallinität aufweist. Darüber hinaus wird für den Fall, dass die Filmbildungstemperatur übermäßig hoch ist, jedes Element, das den piezoelektrischen Dünnfilm 3 bildet, übermäßig reduziert, und somit ist es schwierig, den piezoelektrischen Dünnfilm 3 mit der gewünschten Zusammensetzung zu erhalten. Weiterhin ist es für den Fall, dass die Filmbildungstemperatur übermäßig hoch ist, wahrscheinlich, dass Bi oder K aus dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 desorbiert wird, und somit ist die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms 3 schwer zu kontrollieren.
  • Der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer kann beispielsweise von 0,1 Pa bis 3,0 Pa betragen. Für den Fall, dass der Sauerstoffpartialdruck zu 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 sich die Kristallinität des piezoelektrischen Dünnfilms 3 wahrscheinlich verschlechtert. Für den Fall, dass der Sauerstoffpartialdruck übermäßig hoch ist, wird die Wachstumsrate des piezoelektrischen Dünnfilms 3 wahrscheinlich abnehmen, und die Kristallinität des piezoelektrischen Dünnfilms 3 wird sich wahrscheinlich verschlechtern.
  • Beim Filmbildungsschritt kann neben der Fluenz und der Wiederholfrequenz des gepulsten Laserlichts auch die Anzahl der Bestrahlungszeiten des Targets mit Pulslaserlicht (Filmbildungszeit) gesteuert werden. Mit zunehmender Anzahl der Bestrahlungszeiten des Targets mit Pulslaserlicht (Filmbildungszeit) nimmt die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms 3 tendenziell zu. Beim Filmbildungsschritt kann der Abstand zwischen der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 oder der zweiten Zwischenschicht 6 und dem Target gesteuert werden. Mit einer Verringerung des Abstands zwischen der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 oder der zweiten Zwischenschicht 6 und dem Target nehmen die Dicke und die Wachstumsrate des piezoelektrischen Dünnfilms 3 tendenziell zu.
  • Nachdem der piezoelektrische Dünnfilm 3 durch den Filmbildungsschritt gebildet wurde, kann eine Glühbehandlung (Heizbehandlung) des piezoelektrischen Dünnfilms 3 in der Vakuumkammer durchgeführt werden. Die Temperatur (Glühtemperatur) des piezoelektrischen Dünnfilms 3 bei der Glühbehandlung kann z. B. von 300°C bis 1000°C betragen. Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms 3 werden durch die Glühbehandlung des piezoelektrischen Dünnfilms 3 tendenziell weiter verbessert. Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms 3 werden durch die Glühbehandlung auf leichte Weise verbessert, insbesondere bei einer Temperatur von 850°C bis 1000°C. Die Glühbehandlung ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
  • Bei dem oben beschriebenen Herstellungsprozess des piezoelektrischen Dünnfilms 3 und einem darauf folgenden Temperaturabsenkungsprozess kann die Druckspannung aufgrund einer Temperaturänderung in dem piezoelektrischen Dünnfilm erzeugt werden. Der piezoelektrische Dünnfilm 3 wird durch die Druckspannung in Richtungen (Richtung der a-Achse und Richtung der b-Achse) komprimiert, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 verlaufen. Infolgedessen werden 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 beispielsweise 10 µm bis 1000 µm betragen. Für den Fall, dass das kristalline Substrat 8 elektrisch leitfähig ist, fungiert das kristalline Substrat 8 als Elektrodenschicht (erste Elektrodenschicht 7), 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 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. Die Normalrichtung der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 ist im Wesentlichen parallel zur Normalrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7. Das kristalline Substrat 8 kann ein uniaxial orientiertes Substrat sein. Beispielsweise 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 der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 verlaufen.
  • Für den 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 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert.
  • Wie oben beschrieben, kann die erste Zwischenschicht 5 zwischen dem kristallinen Substrat 8 und der ersten Elektrodenschicht 7 angeordnet sein. Die erste Zwischenschicht 5 kann z.B. mindestens eines der folgenden Materialien enthalten: Titan (Ti), Chrom (Cr), Titanoxid (TiO2), Siliziumoxid (SiO2), Zirkoniumoxid (ZrO2) und Yttriumoxid (Y2O3). Die erste Elektrodenschicht 7 befindet sich leicht in engem Kontakt mit dem kristallinen Substrat 8, wobei die erste Zwischenschicht 5 dazwischen angeordnet ist. Die erste Zwischenschicht 5 kann kristallin sein. Eine Kristallebene der ersten Zwischenschicht 5 kann in der Normalenrichtung der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Sowohl die Kristallebene des kristallinen Substrats 8 als auch die Kristallebene der ersten Zwischenschicht 5 können in der Normalenrichtung der Oberfläche des kristallinen Substrats 8 orientiert sein. Das Verfahren zur Herstellung der ersten Zwischenschicht 5 kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coat-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein.
  • Die erste Zwischenschicht 5 kann ZrO2 und ein Oxid eines Seltenerdelements enthalten. Wenn die erste Zwischenschicht 5 ZrO2 und ein Oxid eines Seltenerdelements enthält, wird die erste Elektrodenschicht 7, die aus einem Platinkristall besteht, wahrscheinlich auf der Oberfläche der ersten Zwischenschicht 5 gebildet, eine (002)-Ebene des Platinkristalls wird wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN 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 besteht 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).
  • Die erste Zwischenschicht 5 kann ZrO2 und Y2O3 enthalten. Beispielsweise kann die erste Zwischenschicht 5 aus Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (ZrO2 mit Zusatz von Y2O3) bestehen. Die erste Zwischenschicht 5 kann eine erste Schicht aus ZrO2 und eine zweite Schicht aus Y2O3 aufweisen. Die erste Schicht, bestehend aus ZrO2, 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, bestehend aus Y2O3, laminiert werden. Wenn die erste Zwischenschicht 5 ZrO2 und Y2O3 enthält, wird der piezoelektrische Dünnfilm 3 wahrscheinlich epitaktisch gewachsen sein, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wird wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, cl/al ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 lässt sich leicht von 1.0° bis 10.0° steuern. Darüber hinaus wird für den Fall, dass die erste Zwischenschicht 5 ZrO2 und Y2O3 enthält, die erste Elektrodenschicht 7, bestehend aus einem Platinkristall, wahrscheinlich auf der Oberfläche der ersten Zwischenschicht 5 gebildet, die (002)-Ebene des Platinkristalls ist wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert und die (200)-Ebene des Platinkristalls ist wahrscheinlich in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert.
  • 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 der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein. Das heißt, die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 7 kann im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 verlaufen. Die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht 7, die in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert ist, kann im Wesentlichen parallel zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 sein. 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 Fall 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 DN 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 kann die (002)-Ebene des Platinkristalls 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. Für den Fall, dass die (002)-Ebene und die (200)-Ebene des Platinkristalls, der die erste Elektrodenschicht 7 bildet, die oben beschriebene Orientierung aufweisen, ist es wahrscheinlich, dass der piezoelektrische Dünnfilm 3 epitaktisch gewachsen ist, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 ist wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 ist wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt, cl/al ist wahrscheinlich größer als c2/a2, und θ12 kann leicht von 1.0° bis 10.0° gesteuert werden.
  • Wie oben beschrieben kann die zweite Zwischenschicht 6 zwischen der ersten Elektrodenschicht 7 und dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 angeordnet sein. Die zweite Zwischenschicht 6 kann zum Beispiel mindestens eine Verbindung aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, SrRuO3, LaNiO3 und (La,Sr)CoO3 enthalten. (La,Sr)CoO3 kann z.B. La0.5Sr0.5CoO3 sein. Die zweite Zwischenschicht 6 kann kristallin sein. Die zweite Zwischenschicht 6 kann beispielsweise ein Laminat sein, das aus mindestens zwei Pufferschichten gebildet ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einer Schicht, die einen Kristall von BaTiO3 enthält, einer Schicht, die einen Kristall von SrRuO3 enthält, einer Schicht, die einen Kristall von LaNiO3 enthält, und einer Schicht, die einen Kristall von (La,Sr)CoO3 enthält, besteht. BaTiO3, SrRuO3, LaNiO3 und (La,Sr)CoO3 haben alle eine Perowskitstruktur. Wenn die zweite Zwischenschicht 6 mindestens eine Verbindung enthält, die aus der Gruppe bestehend aus BaTiO3, SrRuO3, LaNiO3 und (La,Sr)CoO3 ausgewählt ist, ist es daher wahrscheinlich, dass der piezoelektrische Dünnfilm 3 epitaktisch gewachsen ist, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 wahrscheinlich in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert ist, die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 wahrscheinlich in Bezug auf die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt ist, cl/al wahrscheinlich größer als c2/a2 ist, und θ12 leicht von 1.0° bis 10,0° gesteuert wird. Weiterhin steht der piezoelektrische Dünnfilm 3 leicht in engem Kontakt mit der ersten Elektrodenschicht 7, wobei die zweite Zwischenschicht 6 dazwischen liegt. Eine Kristallebene der zweiten Zwischenschicht 6 kann in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein. Das Herstellungsverfahren der zweiten Zwischenschicht 6 kann ein Sputterverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Druckverfahren, ein Spin-Coat-Verfahren oder ein Sol-Gel-Verfahren sein.
  • 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 der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert sein. Die Kristallebene der zweiten Elektrodenschicht 4 kann im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 verlaufen. Die Kristallebene der zweiten Elektrodenschicht 4, die in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht 7 orientiert ist, kann im Wesentlichen parallel zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 sein. Die Dicke der zweiten Elektrodenschicht 4 kann beispielsweise 1 nm bis 1,0 µm betragen. Das Herstellungsverfahren der zweiten Elektrodenschicht 4 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 zweiten Elektrodenschicht 4 durchgeführt werden, um die Kristallinität der zweiten Elektrodenschicht 4 zu verbessern.
  • Eine weitere Zwischenschicht (eine weitere zweite Zwischenschicht) kann zwischen dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 und der zweiten Elektrodenschicht 4 angeordnet sein. Die zweite Elektrodenschicht 4 ist leicht in engem Kontakt mit dem piezoelektrischen Dünnfilm 3, wobei die weitere Zwischenschicht dazwischen angeordnet ist. Die Zusammensetzung, die kristalline Struktur und das Herstellungsverfahren der weiteren Zwischenschicht (der weiteren zweiten Zwischenschicht) können die gleichen sein wie die der oben beschriebenen zweiten Zwischenschicht 6. Die weitere Zwischenschicht kann zum Beispiel mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus SrRuO3, LaNiO3 und (La,Sr)CoO3 enthalten. Das Herstellungsverfahren der weiteren 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 verwendet. 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 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. Das oben beschriebene piezoelektrische Dünnfilmelement kann in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) enthalten sein. Das heißt, das piezoelektrische Dünnfilmelement kann ein Teil oder die Gesamtheit der mikroelektromechanischen Systeme sein. Zum Beispiel kann das piezoelektrische Dünnfilmelement ein Teil oder die Gesamtheit von piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlern (PMUT) sein. Produkte, bei denen piezoelektrische mikromechanische 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.
  • 5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ultraschallwandlers 10a, der das oben beschriebene piezoelektrische Dünnfilmelement enthält. Der Querschnitt dieses Ultraschallwandlers 10a verläuft senkrecht zur Oberfläche sowohl der ersten Elektrodenschicht 7 als auch des piezoelektrischen Dünnfilms 3. Der Ultraschallwandler 10a kann ein Substrat (8a bis 8b), die auf dem Substrat (8a bis 8b) vorgesehene erste Elektrodenschicht 7, die auf die erste Elektrodenschicht 7 gestapelte piezoelektrische Dünnschicht 3 und die auf dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 gestapelte zweite Elektrodenschicht 4 enthalten. Unterhalb des piezoelektrischen Dünnfilms 3 kann ein akustischer Hohlraum 8c vorgesehen sein. Ein Ultraschallsignal wird durch Auslenkung oder Vibration des piezoelektrischen Dünnfilms 3 gesendet oder empfangen. Die erste Zwischenschicht kann zwischen dem Substrat (8a bis 8b) und der ersten Elektrodenschicht 7 angeordnet sein. Die zweite Zwischenschicht kann zwischen der ersten Elektrodenschicht 7 und dem piezoelektrischen Dünnfilm 3 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 bestehend aus Si verwendet. Eine (100)-Ebene aus 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 erste Zwischenschicht, bestehend aus ZrO2 und Y2O3, wurde auf der gesamten Oberfläche des kristallinen Substrats in einer Vakuumkammer ausgebildet. Die erste Zwischenschicht wurde durch ein Sputterverfahren gebildet. Die Dicke der ersten Zwischenschicht betrug 30 nm.
  • Eine erste Elektrodenschicht, bestehend aus einem Pt-Kristall, wurde auf der gesamten Oberfläche der ersten Zwischenschicht in der Vakuumkammer ausgebildet. Die erste Elektrodenschicht wurde durch ein Sputterverfahren ausgebildet. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht betrug 200 nm. Die Temperatur in der Vakuumkammer wurde während der Bildung der ersten Elektrodenschicht bei 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) hergestellt durch die Rigaku Corporation verwendet. Die Messbedingungen wurden so festgelegt, dass die Intensität jedes Peaks in jedem XRD-Muster mindestens um drei Stellen oder mehr über der Hintergrundintensität liegt. Ein Peak der an den (002)-Ebenen des Pt-Kristalls gebeugten Röntgenstrahlen wurde durch eine Out-of-Plane-Messung detektiert. Das heißt, die (002)-Ebenen des Pt-Kristalls waren in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert. Ein Peak der an den (200)-Ebenen des Pt-Kristalls gebeugten Röntgenstrahlung 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.
  • Durch die Durchführung des oben beschriebenen Filmbildungsschritts (PLD-Verfahren) in der Vakuumkammer wurde ein piezoelektrischer Dünnfilm direkt auf der gesamten Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gebildet. Als Pulslaserlicht wurde beim Filmbildungsschritt ein KrF-Laser mit einer Wellenlänge von 248 nm verwendet. Die Fluenz des gepulsten Laserlichts wurde auf einen Wert eingestellt, der in Tabelle 1 unten angegeben ist. Die Wiederholungsfrequenz f1 des gepulsten Laserlichts im Filmbildungsschritt wurde auf 10 Hz eingestellt. Der Sauerstoffpartialdruck in der Vakuumkammer wurde im ersten Filmbildungsschritt auf 1 Pa gehalten. Die Temperatur (Filmbildungstemperatur) in der Vakuumkammer während des Bildungsprozesses der ersten piezoelektrischen Schicht wurde auf 450°C gehalten. Die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms wurde auf 2000 nm eingestellt.
  • Die Zusammensetzung des im Filmbildungsschritt verwendeten Targets wird durch die nachstehende chemische Formel 1 repräsentiert. Im Fall des Beispiels 1 waren EA, EB1 und EB2 in der nachstehenden chemischen Formel 1 die in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführten Elemente. Im Fall des Beispiels 1 waren α, β, x1 und y1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 die in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen Werte. x1(Bi1-αEA α)(EB1 1-βEB2 β)O3-y1BiFeO3 (1)
  • Die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms wurde mit einer XRF-Methode analysiert. Das Ergebnis der Analyse zeigt, dass die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Zusammensetzung des Targets übereinstimmt.
  • Ein XRD-Muster des piezoelektrischen Dünnfilms wurde durch Out-of-Plane-Messung in der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht unter Verwendung der oben beschriebenen Röntgenbeugungsvorrichtung gemessen. Weiterhin wurde ein weiteres XRD-Muster des piezoelektrischen Dünnfilms durch In-Plane-Messung an 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 um eine Stelle höher oder mehr ist als die Hintergrundintensität. Das Messgerät und die Messbedingungen für jedes XRD-Muster waren die gleichen wie oben beschrieben. Die reziproke Raumkarte des Beispiels 1 ist in 6Aund 6B dargestellt.
  • Die Ergebnisse der Analyse mit dem Röntgenbeugungsgerät zeigten, dass der piezoelektrische Dünnfilm die folgenden Merkmale aufwies.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm bestand aus einem tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ und einem tetragonalen Kristall 2 eines Oxids vom Perowskit-Typ. Es war schwierig, den tetragonalen Kristall 1 und den tetragonalen Kristall 2 anhand ihrer Zusammensetzungen voneinander zu unterscheiden.
  • Eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 war vorzugsweise in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert. Das heißt, der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht betrug 90% oder mehr. Wie oben beschrieben, wird der Orientierungsgrad der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 durch 100 × I1(001)/(I1(001) + I1(110) + I1(111)) repräsentiert. Die Kristallebene des tetragonalen Kristalls 1, die vorzugsweise in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert ist, wird in jeder der folgenden Tabellen als „orientierte Ebene“ bezeichnet.
  • Eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 war im Verhältnis zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt.
    • c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 war größer als c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2.
    • θ12 des Beispiels 1 war ein Wert, der in Tabelle 1 unten aufgeführt ist. Die Definition von θ12 ist wie oben beschrieben.
    • c1/a1 des Beispiels 1 war ein Wert, der in Tabelle 2 unten angegeben ist.
    • c2/a2 des Beispiels 1 war ein Wert, der in Tabelle 2 unten angegeben ist.
    • 100 × I2/(I1 + I2) des Beispiels 1 war ein Wert, der in Tabelle 2 unten aufgeführt ist. Die Definition von 100 × I2/(I1 + I2) ist wie oben beschrieben.
  • Eine zweite Elektrodenschicht, bestehend aus Pt, wurde auf der gesamten Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms in der Vakuumkammer ausgebildet. Die zweite Elektrodenschicht wurde durch ein Sputterverfahren 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 des Beispiels 1 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 Vereinzeln geschnitten.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement des Beispiels 1 mit einer viereckigen Form des Beispiels 1 wurde durch die oben genannten Schritte erhalten. Das piezoelektrische Dünnfilmelement wurde durch das kristalline Substrat, die erste Zwischenschicht, die direkt auf das kristalline Substrat gestapelt war, die erste Elektrodenschicht, die direkt auf die erste Zwischenschicht gestapelt war, den piezoelektrischen Dünnfilm, der direkt auf die erste Elektrodenschicht gestapelt war, und die zweite Elektrodenschicht, die direkt auf dem piezoelektrischen Dünnfilm gestapelt war, gebildet. 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 des Beispiels 1 ist in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt. C = ε 0 × ε r × ( S/d )
    Figure DE102022120977A1_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 aufliegt. 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 unter Verwendung des piezoelektrischen Dünnfilmelements gemessen. Die Einzelheiten der Messung von d33,fwaren wie im Folgenden beschrieben. Die piezoelektrische Dehnungskonstante d33,f(Durchschnittswert von drei Messpunkten) des Beispiels 1 ist in Tabelle 2 unten aufgeführt. Der piezoelektrische Leistungsindex (d33,f/εrε0) wurde aus d33,f und εr berechnet. d33,f/εrε0 des Beispiels 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 10 und Vergleichsbeispiele 1 und 2)
  • Die Zusammensetzung des Targets jedes der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wird durch die obige chemische Formel 1 repräsentiert. EA, EB1 und EB2 jedes der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 waren Elemente, die in Tabelle 1 unten gezeigt werden. α, β, x1 und y1 jedes der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. Von den Beispielen 2 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 unterschied sich nur die Fluenz des gepulsten Laserlichts von Vergleichsbeispiel 2 von der Fluenz des Beispiels 1. Die Fluenz von Vergleichsbeispiel 2 wurde auf einen Wert eingestellt, der in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben ist.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement jedes der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der oben genannten Punkte.
  • Die Analyse und Messung des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 stimmte die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Zusammensetzung des Targets überein.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 10 und des Vergleichsbeispiels 1 bestand der piezoelektrische Dünnfilm aus dem tetragonalen Kristall 1 des Oxids vom Perowskit-Typ und dem tetragonalen Kristall 2 des Oxids vom Perowskit-Typ. Es war schwierig, den tetragonalen Kristall 1 und den tetragonalen Kristall 2 auf der Grundlage ihrer Zusammensetzungen voneinander zu unterscheiden.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm des Vergleichsbeispiels 2 bestand nur aus dem tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ. Das heißt, der piezoelektrische Dünnfilm des Vergleichsbeispiels 2 enthielt nicht den tetragonalen Kristall 2.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 vorzugsweise in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 10 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 im Verhältnis zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt.
  • Im Fall des Vergleichsbeispiels 1 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 nicht gegenüber der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt.
  • Das heißt, im Fall des Vergleichsbeispiels 1 waren nicht nur die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, sondern auch die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • In allen Fällen der Beispiele 2 bis 10 und des Vergleichsbeispiels 1 war c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 größer als c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2.
    θ12 jedes der Beispiele 2 bis 10 und des Vergleichsbeispiels 1 war ein Wert, der in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben ist.
    c1/a1 jedes der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 war ein Wert, der in Tabelle 2 unten angegeben ist.
    c2/a2 jedes der Beispiele 2 bis 10 und des Vergleichsbeispiels 1 war ein Wert, der in Tabelle 2 unten angegeben ist.
    100 × I2/(I1 + I2) jedes der Beispiele 2 bis 10 und des Vergleichsbeispiels 1 war ein Wert, der in der nachstehenden Tabelle 2 angegeben ist.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,fund d33,f/εrε0 jedes der Beispiele 2 bis 10 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt. [Tabelle 1]
    Tabelle 1 Fluenz EA1 EB1 EB2 α β x1 y1 Orientierte Ebene θ12
    Einheit mJ/mm2 - - - - - - - - Grad
    Beispiel 1 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) 3.5
    Beispiel 2 10 Na Zr Keine 0.5 0.0 0.20 0.80 (001) 1.0
    Beispiel 3 10 Ag Zr Keine 0.5 0.0 0.05 0.95 (001) 5.4
    Beispiel 4 10 Keine Al Keine 0.0 0.0 0.10 0.90 (001) 8.4
    Beispiel 5 10 Na Ti Keine 0.5 0.0 0.85 0.15 (001) 10.0
    Beispiel 6 10 Ba Mg Ti 0.5 0.5 0.50 0.50 (001) 2.5
    Beispiel 7 10 K Mg Ti 0.5 0.5 0.15 0.85 (001) 7.2
    Beispiel 8 10 Keine Mg Ti 1.0 0.0 0.30 0.70 (001) 9.3
    Beispiel 9 10 Ag Ti Keine 0.5 0.0 0.70 0.30 (001) 3.5
    Beispiel 10 10 Keine Zn Ti 0.0 0.5 0.90 0.10 (001) 2.1
    Vergleichsbeispiel 1 25 K Mg Ti 0.5 0.5 0.50 0.50 (001) 0.0
    Vergleichsbeispiel 2 10 Keine Zn Ti 0.0 0.0 1.00 0.00 (001) -
    [Tabelle 2]
    Tabelle 2 Er d33,f d33,f/ε0εr 100 × I2/(I1 + I2) c1/a1 c2/a2
    Einheit - pC/N × 10-3 V·m/N % - -
    Beispiel 1 55 120 246 1.8 1.225 1.042
    Beispiel 2 58 103 201 3.0 1.193 1.032
    Beispiel 3 54 117 245 0.4 1.211 1.064
    Beispiel 4 51 102 226 1.8 1.182 1.039
    Beispiel 5 57 106 210 4.5 1.176 1.028
    Beispiel 6 59 119 228 6.1 1.120 1.073
    Beispiel 7 61 113 209 3.6 1.153 1.051
    Beispiel 8 62 110 200 2.0 1.134 1.014
    Beispiel 9 41 84 231 9.8 1.261 1.111
    Beispiel 10 52 102 222 0.9 1.158 1.092
    Vergleichsbeispiel 1 113 140 140 8.1 1.110 1.055
    Vergleichsbeispiel 2 82 60 83 0.0 1.252 -
  • (Vergleichsbeispiel 3)
  • Wie in Tabelle 3 gezeigt, wurde die Temperatur (Filmbildungstemperatur) in der Vakuumkammer während des Filmbildungsschritts von Vergleichsbeispiel 3 bei 700°C gehalten. Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement aus Vergleichsbeispiel 3 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Filmbildungstemperatur.
  • Die Analyse und Messung des piezoelektrischen Dünnfilms von Vergleichsbeispiel 3 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt. Der piezoelektrische Dünnfilm von Vergleichsbeispiel 3 wies keine Kristallinität auf. Das heißt, sowohl der tetragonale Kristall 1 als auch der tetragonale Kristall 2 wurden in dem piezoelektrischen Dünnfilm von Vergleichsbeispiel 3 nicht nachgewiesen. Infolgedessen konnten die orientierte Ebene, θ12, c1/a1, c2/a2 und 100 × I2/(I1 + I2) des Vergleichsbeispiels 3 nicht gemessen werden.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms von Vergleichsbeispiel 3 wurden mit der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,fund d33,f/εrε0 des Vergleichsbeispiels 3 sind in Tabelle 4 unten aufgeführt. [Tabelle 3]
    Tabelle 3 Filmbildungstemperatur Fluenz EA EB1 EB2 α β x1 y1 Orientierte Ebene θ12
    Einheit C mJ/mm2 - - - - - - - - Grad
    Beispiel 1 450 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) 3.5
    Vergleichsbeispiel 3 700 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 Keine -
    [Tabelle 4]
    Tabelle 4 εr d33,f d33,f/ε0εr 100 × I2/(I1 + I2) c1/a1 c2/a2
    Einheit - pC/N ×10-3 V·m/N % - -
    Beispiel 1 55 120 246 1.8 1.225 1.042
    Vergleichsbeispiel 3 253 30 13 - - -
  • (Beispiele 11 bis 13)
  • In allen Fällen der Beispiele 11 bis 13 wurde die zweite Zwischenschicht auf der gesamten Oberfläche der ersten Elektrodenschicht gebildet, und der piezoelektrische Dünnfilm wurde auf der gesamten Oberfläche der zweiten Zwischenschicht gebildet. Die zweite Zwischenschicht des Beispiels 11 bestand aus kristallinem SrRuO3. Die Dicke der zweiten Zwischenschicht des Beispiels 11 betrug 50 nm. Die zweite Zwischenschicht des Beispiels 12 bestand aus kristallinem LaNiO3. Die Dicke der zweiten Zwischenschicht des Beispiels 12 betrug 50 nm. Die zweite Zwischenschicht des Beispiels 13 bestand aus kristallinem BaTiO3. Die Dicke der zweiten Zwischenschicht des Beispiels 13 betrug 50 nm. In allen Fällen der Beispiele 11 bis 13 war die (001)-Ebene der zweiten Zwischenschicht in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert. „SRO“ in der nachstehenden Tabelle 5 bedeutet SrRuO3. „LNO“ in der nachstehenden Tabelle 5 bedeutet LaNiO3. „BTO“ in der nachstehenden Tabelle 5 bedeutet BaTiO3.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement jedes der Beispiele 11 bis 13 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die zweite Zwischenschicht gebildet wurde.
  • Die Analyse und Messung des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Beispiele 11 bis 13 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • In allen Fällen der Beispiele 11 bis 13 stimmte die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Zusammensetzung des Targets überein.
  • In allen Fällen der Beispiele 11 bis 13 bestand der piezoelektrische Dünnfilm aus dem tetragonalen Kristall 1 des Oxids vom Perowskit-Typ und dem tetragonalen Kristall 2 des Oxids vom Perowskit-Typ. Es war schwierig, den tetragonalen Kristall 1 und den tetragonalen Kristall 2 auf der Grundlage ihrer Zusammensetzungen voneinander zu unterscheiden.
  • In allen Fällen der Beispiele 11 bis 13 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 vorzugsweise in der Normalrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • In allen Fällen der Beispiele 11 bis 13 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 gegenüber der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt.
  • In allen Fällen der Beispiele 11 bis 13 war c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 größer als c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2.
    θ12 jedes der Beispiele 11 bis 13 war ein Wert, der in Tabelle 5 unten gezeigt wird.
    c1/a1 jedes der Beispiele 11 bis 13 war ein Wert, der in Tabelle 6 unten angegeben ist.
    c2/a2 jedes der Beispiele 11 bis 13 war ein Wert, der in Tabelle 6 unten angegeben ist.
    100×I2/(I1 + I2) jedes der Beispiele 11 bis 13 war ein Wert, der in der Tabelle 6 unten angegeben ist.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms der Beispiele 11 bis 13 wurden mit der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,f und d33,f/εrε0 jedes der Beispiele 11 bis 13 sind in der folgenden Tabelle 6 aufgeführt. [Tabelle 5]
    Tabelle 5 Fluenz EA EB1 EB2 α β x1 y1 Orientierte Ebene Zweite Zwischenschicht θ12
    Einheit mJ/mm2 - - - - - - - - - Grad
    Beispiel 1 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) Keine 3.5
    Beispiel 11 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) SRO 3.0
    Beispiel 12 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) LNO 2.5
    Beispiel 13 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) BTO 3.6
    [Tabelle 6]
    Tabelle 6 εr d33,f d33,f/ε0εr 100 × I2/(I1 + I2) c1/a1 c2/a2
    Einheit - pC/N × 10-3 V·m/N % - -
    Beispiel 1 55 120 246 1.8 1.225 1.042
    Beispiel 11 56 121 244 2.2 1.210 1.037
    Beispiel 12 51 109 241 0.9 1.249 1.049
    Beispiel 13 63 123 221 4.9 1.267 1.028
  • (Beispiel 14)
  • Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilmelements des Beispiels 14 wurden die erste Zwischenschicht und die zweite Zwischenschicht nicht gebildet. Bei der Herstellung des piezoelektrischen Dünnfilmelements des Beispiels 14 wurde die erste Elektrodenschicht bestehend aus kristallinem SrRuO3 direkt auf der gesamten Oberfläche des kristallinen Substrats gebildet. Eine (001)-Ebene von SrRuO3 wurde in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert. Die Dicke der ersten Elektrodenschicht des Beispiels 14 betrug 200 nm.
  • Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement des Beispiels 14 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der oben genannten Punkte.
  • Die Messung für die erste Elektrodenschicht des Beispiels 14 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt. Im Fall des Beispiels 14 war die Kristallebene der ersten Elektrodenschicht nicht in der In-Plane-Richtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert. Das heißt, im Fall des Beispiels 14 gab es keine Orientierung des Kristalls der ersten Elektrodenschicht in der Ebene.
  • Die Analyse und Messung für den piezoelektrischen Dünnfilm des Beispiels 14 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • Im Fall des Beispiels 14 stimmte die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Zusammensetzung des Targets überein.
  • Im Fall des Beispiels 14 bestand der piezoelektrische Dünnfilm aus dem tetragonalen Kristall 1 des Oxids vom Perowskit-Typ und dem tetragonalen Kristall 2 des Oxids vom Perowskit-Typ. Es war schwierig, den tetragonalen Kristall 1 und den tetragonalen Kristall 2 anhand ihrer Zusammensetzungen voneinander zu unterscheiden.
  • Im Fall des Beispiels 14 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 vorzugsweise in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • Im Fall des Beispiels 14 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 gegenüber der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt.
  • Im Fall des Beispiels 14 war c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 größer als c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2.
    θ12 des Beispiels 14 war ein Wert, der in Tabelle 7 unten angegeben ist. c1/a1 des Beispiels 14 war ein Wert, der in Tabelle 8 unten angegeben ist.
    c2/a2 des Beispiels 14 war ein Wert, der in Tabelle 8 unten angegeben ist.
    100 × I2/(I1 + I2) des Beispiels 14 war ein Wert, der in Tabelle 8 unten angegeben ist.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms des Beispiels 14 wurden mit der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,f und d33,f/εrε0 des Beispiels 14 sind in Tabelle 8 unten aufgeführt. [Tabelle 7]
    Tabelle 7 Fluenz EA EB1 EB2 α β x1 y1 Orientierte Ebene In-plane-Orientierung θ12
    Einheit mJ/mm2 - - - - - - - - - Grad
    Beispiel 1 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) vorhanden 3.5
    Beispiel 14 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) nicht vorhanden 1.2
    [Tabelle 8]
    Tabelle 8 εr d33,f d33,f/ε0εr 100 × I2/(I1 + I2) c1/a1 c2/a2
    Einheit - pC/N ×10-3 V·m/N % - -
    Beispiel 1 55 120 246 1.8 1.225 1.042
    Beispiel 14 64 129 228 0.6 1.142 1.015
  • (Beispiele 15 und 16 und Vergleichsbeispiele 4 und 5)
  • Die Fluenz des gepulsten Laserlichts jedes der Beispiele 15 und 16 und der Vergleichsbeispiele 4 und 5 wurde auf einen Wert eingestellt, der in der nachstehenden Tabelle 9 angegeben ist. Ein piezoelektrisches Dünnfilmelement jedes der Beispiele 15 und 16 und Vergleichsbeispiele 4 und 5 wurde nach demselben Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme der Fluenz.
  • Die Analyse und Messung dem piezoelektrischen Dünnfilm jedes der Beispiele 15 und 16 und Vergleichsbeispiele 4 und 5 wurde nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 durchgeführt.
  • In allen Fällen der Beispiele 15 und 16 und der Vergleichsbeispiele 4 und 5 stimmte die Zusammensetzung des piezoelektrischen Dünnfilms mit der Zusammensetzung des Targets überein.
  • Der piezoelektrische Dünnfilm des Vergleichsbeispiels 4 wies keine Kristallinität auf. Das heißt, sowohl der tetragonale Kristall 1 als auch der tetragonale Kristall 2 wurden in dem piezoelektrischen Dünnfilm des Vergleichsbeispiels 4 nicht nachgewiesen. Infolgedessen konnten die orientierte Ebene, θ12, c1/a1, c2/a2 und 100 × I2/(I1 + I2) des Vergleichsbeispiels 4 nicht gemessen werden.
  • In allen Fällen der Beispiele 15 und 16 und des Vergleichsbeispiels 5 bestand der piezoelektrische Dünnfilm aus dem tetragonalen Kristall 1 des Oxids vom Perowskit-Typ und dem tetragonalen Kristall 2 des Oxids vom Perowskit-Typ. Es war schwierig, den tetragonalen Kristall 1 und den tetragonalen Kristall 2 auf der Grundlage ihrer Zusammensetzungen voneinander zu unterscheiden.
  • In allen Fällen der Beispiele 15 und 16 und des Vergleichsbeispiels 5 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 vorzugsweise in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • In den Fällen der Beispiele 15 und 16 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 gegenüber der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt.
  • Im Fall des Vergleichsbeispiels 5 war die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 nicht gegenüber der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt. Das heißt, im Fall des Vergleichsbeispiels 5 waren nicht nur die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1, sondern auch die (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in der Normalenrichtung DN der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht orientiert.
  • In allen Fällen der Beispiele 15 und 16 und des Vergleichsbeispiels 5 war c1/a1 des tetragonalen Kristalls 1 größer als c2/a2 des tetragonalen Kristalls 2.
    θ12 jedes der Beispiele 15 und 16 und des Vergleichsbeispiels 5 war ein Wert, der in Tabelle 9 unten angegeben ist.
    c1/a1 jedes der Beispiele 15 und 16 und des Vergleichsbeispiels 5 war ein Wert, der in Tabelle 10 unten angegeben ist.
    c2/a2 jedes der Beispiele 15 und 16 und des Vergleichsbeispiels 5 war ein Wert, der in Tabelle 10 unten angegeben ist.
    100× I2/(I1 + I2) jedes der Beispiele 15 und 16 und des Vergleichsbeispiels 5 war ein Wert, der in Tabelle 10 unten angegeben ist.
  • Die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Dünnfilms jedes der Beispiele 15 und 16 und der Vergleichsbeispiele 4 und 5 wurden nach der gleichen Methode wie in Beispiel 1 evaluiert. εr, d33,fund d33,f/εrε0 jedes der Beispiele 15 und 16 und der Vergleichsbeispiele 4 und 5 sind in Tabelle 10 unten aufgeführt. Der piezoelektrische Dünnfilm von Vergleichsbeispiel 4 wies jedoch keine ausreichenden piezoelektrischen Eigenschaften auf. Da d33,f von Vergleichsbeispiel 4 nicht gemessen werden konnte, wurde d33,f/εrε0 von Vergleichsbeispiel 4 nicht angegeben. [Tabelle 9]
    Tabelle 9 Fluenz EA1 EB1 EB2 α β x1 y1 Orientierte Ebene θ12
    Einheit mJ/mm2 - - - - - - - - Grad
    Vergleichsbeispiel 4 5 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 Keine -
    Beispiel 15 8 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) 4.2
    Beispiel 1 10 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) 3.5
    Beispiel 16 12 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) 1.8
    Vergleichsbeispiel 5 15 K Ti Keine 0.5 0.0 0.10 0.90 (001) 0.0
    [Tabelle 10]
    Tabelle 10 εr d33,f d33,f/ε0εr 100 × I2/(I1 + I2) c1/a1 c2/a2
    Einheit - pC/N × 10-3 V·m/N % - -
    Vergleichsbeispiel 4 εr d33,f d33,f/ε0εr 100 × I2/(I1 + I2) c1/a1 c2/a2
    Beispiel 15 61 126 233 1.5 1.190 1.037
    Beispiel 1 55 120 246 1.8 1.225 1.042
    Beispiel 16 50 105 237 3.6 1.230 1.045
    Vergleichsbeispiel 5 41 60 165 5.3 1.240 1.040
  • [Industrielle Anwendbarkeit]
  • Das piezoelektrische Dünnfilmelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise in einem piezoelektrischen Wandler und einem piezoelektrischen Sensor verwendet werden.
  • [Bezugszeichenliste]
  • 3: piezoelektrischer Dünnfim, 4: zweite Elektrodenschicht, 5: erste Zwischenschicht, 6: zweite Zwischenschicht, 7: erste Elektrodenschicht, 8: kristallines Substrat, 8a, 8b: Substrat, 10: piezoelektrisches Dünnfilmelement, 10a: Ultraschallwandler (piezoelektrisches Dünnfilmelement), DN : Normalenrichtung der Oberfläche der ersten Elektrodenschicht, dn: Normalenrichtung der Oberfläche des piezoelektrischen Dünnfilms, uc: Einheitszelle der Perowskitstruktur, uc1: Einheitszelle des tetragonalen Kristalls 1, uc2: Einheitszelle des tetragonalen Kristalls 2.

Claims (13)

  1. Piezoelektrisches Dünnfilmelement, aufweisend: eine Elektrodenschicht; und einen piezoelektrischen Dünnfilm, der direkt oder indirekt auf die Elektrodenschicht gestapelt ist, wobei der piezoelektrische Dünnfilm einen tetragonalen Kristall 1 eines Oxids vom Perowskit-Typ und einen tetragonalen Kristall 2 eines Oxids vom Perowskit-Typ enthält, eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 in einer Normalenrichtung einer Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert ist, eine (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 in Bezug zur (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 geneigt ist, ein Abstand von (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 c1 ist, ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 1 a1 ist, ein Abstand von (001)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 c2 ist, ein Abstand von (100)-Ebenen des tetragonalen Kristalls 2 a2 ist und c1/a1 größer als c2/a2 ist.
  2. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach Anspruch 1, wobei ein Absolutwert eines Winkels zwischen der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 1 und der (001)-Ebene des tetragonalen Kristalls 2 θ12 ist und θ12 von 1,0° bis 10,0° beträgt.
  3. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei c1/a1 von 1,120 bis 1,270 beträgt.
  4. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei c2/a2 von 1,010 bis 1,115 beträgt.
  5. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 100 × I2/(I1 + I2) von 0,30 bis 10,0 beträgt.
  6. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.
  7. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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, Ag und Ba ist, EB1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn ist, EB2 in der nachstehenden chemischen Formel 1 mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn ist, EB1 und EB2 sich in der nachstehenden chemischen Formel 1 voneinander unterscheiden, x1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 von 0,05 bis 0,90 beträgt, y1 in der nachstehenden chemischen Formel 1 von 0,10 bis 0,95 beträgt, x1 + y1 1,00 beträgt, α in der nachstehenden chemischen Formel 1 von 0,00 bis 1,00 beträgt und β in der nachstehenden chemischen Formel 1 von 0,00 bis 1,00 beträgt: x1(Bi1-αEA α)(EB1 1-βEB2 β)O3-y1BiFeO3 (1)
  8. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
  9. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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, Ag und Ba ist, EB1 in der nachstehenden chemischen Formel 2 mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn ist, EB2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 mindestens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Mg, Al, Zr, Ti, Ni und Zn ist, EB1 und EB2 sich in der nachstehenden chemischen Formel 2 voneinander unterscheiden, x2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 von 0,05 bis 0,90 beträgt, y2 in der nachstehenden chemischen Formel 2 von 0,10 bis 0,95 beträgt, x2 + y2 1,00 beträgt, α in der nachstehenden chemischen Formel 2 von 0,00 bis 1,00 beträgt und β in der nachstehenden chemischen Formel 2 von 0,00 bis 1,00 beträgt: x2(Bi1-αEA α)(EB1 1-βEB2 β)O3-y2BiFeO3 (2)
  10. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das weiterhin ein kristallines Substrat und eine erste Zwischenschicht aufweist, wobei die erste Zwischenschicht zwischen dem kristallinen Substrat und der Elektrodenschicht angeordnet ist und die erste Zwischenschicht ZrO2 und Y2O3 enthält.
  11. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das weiterhin eine zweite Zwischenschicht aufweist, wobei die zweite Zwischenschicht zwischen der Elektrodenschicht und dem piezoelektrischen Dünnfilm angeordnet ist und die zweite Zwischenschicht mindestens eine Verbindung enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus BaTiO3, SrRuO3, und LaNiO3 besteht.
  12. Piezoelektrisches Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Elektrodenschicht einen Platinkristall enthält, eine (002)-Ebene des Platinkristalls in der Normalrichtung der Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert ist und eine (200)-Ebene des Platinkristalls in einer In-Plane-Richtung der Oberfläche der Elektrodenschicht orientiert ist.
  13. Piezoelektrischer Wandler mit dem piezoelektrischen Dünnfilmelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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