JP2003257709A - Perovskite-containing laminar compound laminate, element using the same, and electronic device - Google Patents

Perovskite-containing laminar compound laminate, element using the same, and electronic device

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JP2003257709A
JP2003257709A JP2002059176A JP2002059176A JP2003257709A JP 2003257709 A JP2003257709 A JP 2003257709A JP 2002059176 A JP2002059176 A JP 2002059176A JP 2002059176 A JP2002059176 A JP 2002059176A JP 2003257709 A JP2003257709 A JP 2003257709A
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Rikogaku Shinkokai
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for growing a perovskite-containing laminar compound layer in crystals as the direction of lamination of the compound layer is oriented in parallel with a board. <P>SOLUTION: A rutile-structure crystalline substrate or a conductive or semiconductive spinel-structure crystalline substrate is employed, and a perovskite-containing laminar compound is epitaxially grown on the substrate as the direction of lamination of the laminar compound is oriented in parallel with the surface of the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はペロブスカイト含有
層状化合物積層体及びそれを用いた電子素子及び電子装
置に係り、特にペロブスカイト含有層状化合物を導電性
基板上にその化合物の層状の積層方向(一般的にc軸方
向)が基板面と平行になる方位(即ち、一般的にはaま
たはb軸配向:aまたはb軸が基板面に垂直方向に配向)
でエピタキシャル成長された積層体と、その構造を用い
た電子素子及び電子装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a perovskite-containing layered compound laminate and an electronic device and an electronic device using the same, and more particularly to a perovskite-containing layered compound on a conductive substrate in a layered stacking direction (general Direction in which the c-axis direction is parallel to the substrate surface (that is, in general, a or b axis orientation: a or b axis is oriented perpendicular to the substrate surface)
The present invention relates to a laminated body epitaxially grown in, and an electronic element and an electronic device using the structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】ペロブスカイト含有層状化合物は強誘電
性、圧電性、焦電性、超伝導性、熱電性などの種々の優
れた特性が報告されている物質群である。そしてその特
性は層状積層方向(一般的にはc軸方向)とそれに垂直
な方向(一般的にはa軸及びb軸方向)では大きく異なっ
ていることが知られている。しかし、基板に対してc軸
が垂直に立った薄膜は多く作成されているが、a軸及びb
軸が基板に対して垂直に立った薄膜の作成の報告は限ら
れている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Perovskite-containing layered compounds are a group of substances for which various excellent properties such as ferroelectricity, piezoelectricity, pyroelectricity, superconductivity and thermoelectricity have been reported. It is known that the characteristics are greatly different in the layered stacking direction (generally the c-axis direction) and the direction perpendicular thereto (generally the a-axis and the b-axis direction). However, although many thin films have the c-axis perpendicular to the substrate,
There are limited reports of making thin films with the axis standing perpendicular to the substrate.

【0003】例えば、PZTなどの強誘電体は鉛を含むの
で環境負荷が大きいとして将来的にその使用が控えられ
る傾向にあり、それに代わってBi4Ti3O12, SrBi2Ta2O9
等のビスマス層状強誘電体が優れた特性を有する鉛不含
強誘電体物質として注目されている。しかし、これらの
鉛不含強誘電体の薄膜成長についての報告としては、基
本的にc軸配向成長またはそれが傾いたものが殆どであ
る。
For example, since ferroelectrics such as PZT contain lead, they tend to be used in the future because they have a large environmental load. Instead, Bi 4 Ti 3 O 12 and SrBi 2 Ta 2 O 9 are used.
The bismuth layered ferroelectrics such as the above have attracted attention as lead-free ferroelectric substances having excellent characteristics. However, most of the reports about the thin film growth of these lead-free ferroelectrics are basically c-axis oriented growth or a tilted one.

【0004】これに対して、例えば、Bi4Ti3O12は(110)
MgAl2O4上でのb軸配向成長の報告例があり、またSrBi2T
a2O9では(110)MgO基板でのa,b軸配向成長が報告されて
いるように、a,b軸配向のものも報告されているが、そ
の数は非常に限られている。しかもこれらの基板はすべ
てが絶縁体である。
On the other hand, for example, Bi 4 Ti 3 O 12 has (110)
There are reports of b-axis oriented growth on MgAl 2 O 4 and SrBi 2 T.
As with a 2 O 9 , a- and b-axis oriented growth has been reported as on the (110) MgO substrate, but the number is very limited. Moreover, all of these substrates are insulators.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記のビスマス層状強
誘電体が鉛含有強誘電体に取って代わるためには強誘電
特性の改良がもっとも重要であることは言うまでもない
が、ビスマス層状強誘電体の強誘電特性も層状方向(c
軸)とそれに垂直な方向(a軸あるいはb軸)では大きく
異なることが知られている。そして、上記の如くc軸配
向の薄膜は多くの成長報告があるので、その特性も評価
され、必要であれば実用化も可能であるが、その特性は
必ずしも十分ではない。これに対して、ビスマス層状強
誘電体は一般的にa軸配向のものがより優れた特性を示
すと考えられているが、a軸配向のビスマス層状強誘電
体薄膜はこれまで絶縁性の基板上にしか成長された例が
なく、そのため特性を評価するためにも基板上に厚く成
膜してから薄膜だけを剥離し、それに電極を形成して特
性評価されているに過ぎない。
Needless to say, the improvement of the ferroelectric properties is the most important in order for the above-mentioned bismuth layered ferroelectric substance to replace the lead-containing ferroelectric substance, but the bismuth layered ferroelectric substance is required. The ferroelectric properties of the layered direction (c
It is known that the axis) and the direction perpendicular to it (a axis or b axis) differ greatly. Since there are many reports on the growth of c-axis oriented thin films as described above, their properties can be evaluated and they can be put to practical use if necessary, but their properties are not always sufficient. On the other hand, bismuth layered ferroelectrics are generally considered to have better characteristics when they are oriented in the a-axis. There is an example in which it is grown only on the top surface. Therefore, in order to evaluate the characteristics, only the thin film is formed on the substrate, only the thin film is peeled off, and the electrode is formed on the film to evaluate the characteristics.

【0006】従って、導電性基板上にビスマス層状強誘
電体をa軸配向成長させることができれば、より優れた
特性の鉛不含強誘電体素子を製造する可能性が開かれ
る。
Therefore, if the bismuth layered ferroelectric substance can be grown on the conductive substrate in the a-axis orientation, the possibility of producing a lead-free ferroelectric element having more excellent characteristics will be opened.

【0007】このような事情はビスマス層状強誘電体に
限らず、ペロブスカイト含有層状化合物の薄膜に共通の
課題である。
Such a situation is not limited to bismuth layered ferroelectrics but is a problem common to thin films of perovskite-containing layered compounds.

【0008】そこで、本発明は、このような従来技術の
現状に鑑みて、ペロブスカイト含有層状化合物をその化
合物の層状積層方向を基板に平行方向に配向させて結晶
成長させる技術を提供することを目的として為されたも
のである。
Therefore, in view of the current state of the art, it is an object of the present invention to provide a technique for crystallizing a perovskite-containing layered compound by orienting the layered stacking direction of the compound parallel to the substrate. It was made as.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記目
的は、下記により達成できることが見出された。 (1)ルチル構造の結晶質基板上に、ペロブスカイト含
有層状化合物がその化合物の層状の積層方向が基板面と
平行になる方位でエピタキシャル成長されていることを
特徴とするペロブスカイト含有層状化合物積層体。 (2)導電性または半導電性のスピネル構造結晶質基板
上に、ペロブスカイト含有層状化合物がその化合物の層
状の積層方向が基板面と平行になる方位でエピタキシャ
ル成長されていることを特徴とするペロブスカイト含有
層状化合物積層体。 (3)前記ペロブスカイト含有層状化合物が、[(Bi2O2)
2+][(Am-1BmO3m+1)2-])(Aは1価、2価または3価の金
属イオンあるいはそれらの混合物であり、BはTi 4+,N
b5+,Ta5+, V5+, W6+あるいはそれらの混合物であり、m
=1〜5)で表される(Bi2O2)2+の層とペロブスカイト
構造の(Am-1BmO3m+1)2-ユニットを含有するペロブスカ
イト含有ビスマス層状化合物である(1)、(2)に記
載のペロブスカイト含有層状化合物積層体。 (4)前記基板がIrO2, RuO2, VO2, CrO2, NbO2, MoO2,
WO2, ReO2, RhO2, OsO2, PtO2, V3O5, VnO2n-1(n=4-
8), Ti3O5, TinO2n-1, SnO2-x, NaxTiO2から選択された
導電性基板である(1)(3)に記載のペロブスカイト
含有層状化合物積層体。 (5)前記基板がLiTi2O4, LiMxTi2-xO4(M=Li,Al,Cr),
Li1-xMxTi2O4(M=Mg,Mn),LiV2O4, Fe3O4から選択された
導電性基板である(2)(3)に記載のペロブスカイト
含有層状化合物積層体。 (6)上記のペロブスカイト含有層状化合物層及び基板
の構造を含み、前記基板が導電性であり、前記ペロブス
カイト含有層状化合物層に対する底部電極をなしている
ことを特徴とする電子素子。 (7)上記の電子素子を含む電子装置。
According to the present invention, the above-mentioned objects are
It has been found that the objective can be achieved by: (1) Perovskite inclusion on a crystalline substrate of rutile structure
The layered compound has a layered stacking direction of the compound and the substrate surface.
That it is epitaxially grown in a parallel orientation
A perovskite-containing layered compound laminate characterized by the above. (2) Conductive or semi-conductive spinel structure crystalline substrate
A layer of perovskite-containing layered compound
Epitaxy in the direction in which the stacking direction of the stripes is parallel to the substrate surface.
Containing perovskite characterized by being grown
Layered compound laminate. (3) The layer compound containing perovskite is [(Bi2O2)
2+] [(Am-1BmO3m + 1)2-]) (A is monovalent, divalent or trivalent gold
A group ion or a mixture thereof, where B is Ti 4+, N
b5+, Ta5+, V5+, W6+Or a mixture thereof, m
= 1 to 5) (Bi2O2)2+Layers and perovskites
Of structure (Am-1BmO3m + 1)2-Perovska containing units
Ito-containing bismuth layered compound described in (1) and (2)
The layered compound laminate containing the perovskite as described above. (4) The substrate is IrO2, RuO2, VO2, CrO2, NbO2, MoO2,
 WO2, ReO2, RhO2, OsO2, PtO2, V3OFive, VnO2n-1(n = 4-
8), Ti3OFive, TinO2n-1, SnO2-x, NaxTiO2Selected from
Perovskite according to (1) or (3), which is a conductive substrate
Containing layered compound laminate. (5) The substrate is LiTi2OFour, LiMxTi2-xOFour(M = Li, Al, Cr),
Li1-xMxTi2OFour(M = Mg, Mn), LiV2OFour, Fe3OFourSelected from
Perovskite according to (2) or (3), which is a conductive substrate
Containing layered compound laminate. (6) The above-mentioned perovskite-containing layered compound layer and substrate
And the substrate is electrically conductive, the perovs
Forming the bottom electrode for the layer of layered compound containing kite
An electronic device characterized in that (7) An electronic device including the electronic device described above.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明の第1の側面によれば、ル
チル構造の結晶基板を用いれば、ペロブスカイト含有層
状化合物の層をエピタキシャル成長できることが見出さ
れた。
According to the first aspect of the present invention, it was found that a layer of a perovskite-containing layered compound can be epitaxially grown by using a crystalline substrate having a rutile structure.

【0011】本発明で用いるペロブスカイト含有層状化
合物とは、ペロブスカイト構造を構成層として含む層状
の結晶構造を有する化合物をいう。ペロブスカイト構造
そのものは層状化合物ではないので本発明でいうペロブ
スカイト含有層状化合物には含まれない。例えば、強誘
電体として知られているBi4Ti3O12構造は図1に示す如
くA−タイプペロブスカイトユニットとB−タイプペロ
ブスカイトユニットと酸素の層からなる構造である
(F.S.ガラッソー著、加藤・植松訳「図解ファイン
セラミックスの結晶化学」アグネ技術センター発行、2
17頁より)。ペロブスカイト構造はABX3の組成式
を持つ化合物に表れるが、単位格子の中心原子をA、B
いずれにして表すかによってA−タイプペロブスカイト
ユニットとB−タイプペロブスカイトユニットの2種類
として表される。本発明では、このようにA−タイプペ
ロブスカイトユニット及び/又はB−タイプペロブスカ
イトユニットの少なくとも1つのユニットを含み、他の
層状構造を含む結晶構造を有する層状構造の化合物をペ
ロブスカイト含有層状化合物と称する。
The perovskite-containing layered compound used in the present invention means a compound having a layered crystal structure containing a perovskite structure as a constituent layer. Since the perovskite structure itself is not a layered compound, it is not included in the perovskite-containing layered compound in the present invention. For example, the Bi 4 Ti 3 O 12 structure known as a ferroelectric is a structure composed of an A-type perovskite unit, a B-type perovskite unit and an oxygen layer as shown in FIG. 1 (written by FS Galassau). Translated by Kato and Uematsu "Illustrated Fine Ceramics Crystal Chemistry" Published by Agne Technical Center, 2
(From page 17). The perovskite structure appears in the compound having a composition formula of ABX 3 , but the central atoms of the unit cell are A and B.
Depending on how it is represented, it is represented as two types, an A-type perovskite unit and a B-type perovskite unit. In the present invention, a compound having a layered structure having a crystal structure including at least one unit of the A-type perovskite unit and / or the B-type perovskite unit and having another layered structure is referred to as a perovskite-containing layered compound.

【0012】本発明で用いることができるペロブスカイ
ト含有層状化合物の好適な例としては、 [(Bi2O2)2+]
[(Am-1BmO3m+1)2-])(Aは1価、2価または3価の金属
イオン、例えば、Pb2+, Ba2+, Bi3+, Sr2+, Ca2+など、
あるいはそれらの混合物であり、BはTi4+,Nb5+,Ta5+, V
5+, W6+あるいはそれらの混合物であり、m=1〜5)
で表される(Bi2O2)2+の層とペロブスカイト構造の(Am-1
BmO3m+1)2-ユニットを含有するペロブスカイト含有ビス
マス層状化合物がある。このペロブスカイト含有ビスマ
ス層状化合物は、結晶学的にはBi4Ti3O12構造と称され
るが、強誘電性を示すことが知られている。具体的に
は、Bi4Ti3O12,SrBi2Ta2O9,Bi2WO6, Bi3TiNbO9, Bi3TiT
aO9, CaBi2NbO9, CaBi2Ta2O9, SrBiNb2O9, CaBi4TiO15
などを挙げることができる。
[(Bi 2 O 2 ) 2+ ] is a preferred example of the perovskite-containing layered compound that can be used in the present invention.
[(A m-1 B m O 3m + 1 ) 2- ]) (A is a monovalent, divalent or trivalent metal ion such as Pb 2+ , Ba 2+ , Bi 3+ , Sr 2+ , Ca 2+, etc.
Or a mixture thereof, and B is Ti 4+ , Nb 5+ , Ta 5+ , V
5+ , W 6+ or a mixture thereof, m = 1-5)
Of the (Bi 2 O 2 ) 2+ layer and the (A m-1
There are perovskite-containing bismuth layered compounds containing B m O 3m + 1 ) 2- units. Although this perovskite-containing bismuth layered compound is crystallographically referred to as a Bi 4 Ti 3 O 12 structure, it is known to exhibit ferroelectricity. Specifically, Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 2 WO 6 , Bi 3 TiNbO 9 , Bi 3 TiT
aO 9 , CaBi 2 NbO 9 , CaBi 2 Ta 2 O 9 , SrBiNb 2 O 9 , CaBi 4 TiO 15
And so on.

【0013】同様に本発明で好適に用いることができる
ペロブスカイト含有層状化合物の別の例として、K2NiF4
構造を挙げることができる。K2NiF4構造は、図2に示す
ように、B原子が中心を占めたペロブスカイト構造の単
位格子にA原子が中心を占めたペロブスカイト構造の単
位格子を2個結びつけ、ついでBX3の層を取り去るこ
とによって得られるものである(上掲書212〜214
頁)。即ち、完全なBタイプのペロブスカイト構造の単
位格子の上と下に、切断されたAタイプの単位格子が置
かれており、aを単位格子の稜とするとc≒3aの正方晶
系の単位格子が得られる.B原子の配位数はペロブスカ
イトと同じで6個のX原子に囲まれているが、A原子は
9個のX原子に囲まれており、ペロブスカイトのA原子
の配位数12に比べて少ない。具体例としては、例え
ば、K2CoF4, K2CuF4, Rb2NiF4などのハロゲン化物、Ba2
PbO4, Ba2SnO4, Ca2MnO4, Sr2IrO4, Sr2MnO4, SrTiO4,
La2NiO4などの酸化物、La2(Li0.5Co0.5)O4, SrLaAlO4,
SrLaCoO4などの複酸化物を挙げることができる。
Similarly, another example of the perovskite-containing layered compound that can be preferably used in the present invention is K 2 NiF 4
The structure can be mentioned. In the K 2 NiF 4 structure, as shown in FIG. 2, two unit cells of the perovskite structure in which the A atom occupies the center are connected to the unit cell of the perovskite structure in which the B atom occupies the center, and then the BX 3 layer is formed. It is obtained by removing (see above 212-214).
page). That is, the cut A type unit cell is placed above and below the unit cell of the complete B type perovskite structure, and when a is the edge of the unit cell, a tetragonal unit cell of c≈3a is obtained. Be done. The coordination number of B atom is the same as that of perovskite and surrounded by 6 X atoms, but A atom is surrounded by 9 X atoms, which is smaller than the coordination number of 12 A atoms of perovskite. . Specific examples include halides such as K 2 CoF 4 , K 2 CuF 4 , Rb 2 NiF 4 , and Ba 2
PbO 4 , Ba 2 SnO 4 , Ca 2 MnO 4 , Sr 2 IrO 4 , Sr 2 MnO 4 , SrTiO 4 ,
La 2 NiO 4 and other oxides, La 2 (Li 0.5 Co 0.5 ) O 4 , SrLaAlO 4 ,
Mention may be made of complex oxides such as SrLaCoO 4 .

【0014】同様に本発明で好適に用いることができる
ペロブスカイト含有層状化合物の別の例として、Sr3Ti2
O7構造とSr4Ti3O10構造を挙げることができる。Sr3Ti2O
7構造は、図3に示す如く、Bタイプのペロブスカイト
構造の単位格子2個を対にし、ついでAタイプのペロブ
スカイト構造の単位格子2個を対にしたものからBX 3
の層を取り去り、これをタイプの対の上下に置いて得ら
れるものである。Sr4Ti 3O10構造はSr3Ti2O7構造と類似
の構造であるが、c軸が長い構造である(上掲書215
〜216頁)。具体例としては、Sr2TiO4, Sr3Ti2O7, S
r4Ti3O10, K3Zn2F 7などがある。
Similarly, it can be preferably used in the present invention.
As another example of the perovskite-containing layered compound, Sr3Ti2
O7Structure and SrFourTi3OTenThe structure can be mentioned. Sr3Ti2O
7As shown in Fig. 3, the structure is B type perovskite.
Two unit cells of the structure are paired, then A type perov
BX from a pair of unit cells of the skyt structure 3
Remove the layers of and place them above and below the pair of types
It is what is done. SrFourTi 3OTenStructure is Sr3Ti2O7Similar to structure
However, it has a long c-axis (see above 215).
~ 216). As a specific example, Sr2TiOFour, Sr3Ti2O7, S
rFourTi3OTen, K3Zn2F 7and so on.

【0015】図4にBi4Ti3O12を層状の積層方向を側面
から見た図(図4(あ))と、層を底面から見た図(図
4(い))として示す。
FIG. 4 shows Bi 4 Ti 3 O 12 as a side view of the layered stacking direction (FIG. 4A) and a bottom view of the layer (FIG. 4I).

【0016】同様に、超伝導体として知られている、結
晶学的にK2NiF4構造に属するYBa2Cu 3O7-xの構造を積層
方向を側面から見た図(図5(あ))と、層を底面から
見た図(図5(い)として示す。
Similarly, the result known as superconductor
Crystallographically K2NiFFourYBa belonging to the structure2Cu 3O7-xLaminated structure
View of the direction from the side (Fig. 5 (a)) and the layers from the bottom
It is shown as a view (FIG. 5 (i)).

【0017】同様に超伝導体として知られているLaSrCo
O4の構造を積層方向を側面から見た図(図6(あ))
と、層を底面から見た図(図6(い))として示す。
LaSrCo, also known as superconductor
A view of the structure of O 4 seen from the side in the stacking direction (Fig. 6 (a))
And a layer as viewed from the bottom (FIG. 6 (I)).

【0018】図4〜6には併せて格子定数又は原子間距
離を示したが、原子間距離は約3.8Å、約4.2Å、
約5.4Åを構成要素とする間隔をベースにしているこ
と、層構造を底面から見た場合には原子間距離が約3.
8Å、約5.4Åをベースにしかつ2軸方向の原子間距
離又は格子定数がほぼ等間隔であること、積層構造を側
面から見た場合には約5.4Åと異なる原子間距離(約
4.2Å、3.8Åなど)が多く含まれることが見られ
る。このような性質はペロブスカイト含有層状化合物に
基本的に共通である。原子間距離は主として酸素原子又
はフッ素原子によって決まるものであるため共通性があ
るものであり、一般的に酸化物ではより共通性が高い。
4 to 6 also show the lattice constant or the interatomic distance, the interatomic distance is about 3.8Å, about 4.2Å,
It is based on an interval with a component of about 5.4Å, and when the layer structure is viewed from the bottom, the interatomic distance is about 3.
Based on 8Å and about 5.4Å, and the interatomic distances or lattice constants in the biaxial directions are almost evenly spaced, and when the stacked structure is viewed from the side, the interatomic distance different from about 5.4Å (about 4 It can be seen that a large amount of (.2Å, 3.8Å, etc.) Such properties are basically common to the perovskite-containing layered compound. The interatomic distance has a commonality because it is mainly determined by an oxygen atom or a fluorine atom, and generally has a higher commonality in an oxide.

【0019】ここで再びBi4Ti3O12に戻ると、このペロ
ブスカイト含有層状化合物の格子定数は図4に示したよ
うに、a軸が5.44Å、b軸が5.41Å、c軸が32.815Åであ
る。即ち、a、b軸はほぼ等軸であるが、c軸(層状積層
方向)は異常に異なる長さである。一方、原子間距離が
約5.4Åである等軸の酸素層を持つ結晶構造は多い。
従って、このような酸素層を持つ結晶を基板としてペロ
ブスカイト含有層状化合物Bi4Ti3O12を成長させると、
図7に示すように、基板の格子定数(原子間距離)はペ
ロブスカイト含有層状化合物Bi4Ti3O12のa、b軸とよく
マッチングするので、層状結晶の積層方向は基板に対し
て垂直方向に成長することは容易に理解される。これが
従来のペロブスカイト含有層状化合物の結晶成長であ
る。
Returning again to Bi 4 Ti 3 O 12 , the lattice constants of this perovskite-containing layered compound are 5.44Å on the a axis, 5.41Å on the b axis, and 32.815Å on the c axis, as shown in FIG. Is. That is, the a and b axes are substantially equiaxed, but the c axis (layered stacking direction) has an abnormally different length. On the other hand, many crystal structures have an equiaxed oxygen layer with an interatomic distance of about 5.4Å.
Therefore, when the perovskite-containing layered compound Bi 4 Ti 3 O 12 is grown using a crystal having such an oxygen layer as a substrate,
As shown in FIG. 7, since the lattice constant (interatomic distance) of the substrate matches well with the a and b axes of the perovskite-containing layered compound Bi 4 Ti 3 O 12 , the stacking direction of the layered crystal is perpendicular to the substrate. It is easily understood to grow into. This is the crystal growth of the conventional perovskite-containing layered compound.

【0020】これに対して、ルチル構造の結晶を(10
1)面で切り出した場合、ルチル構造では軸長はa=b>c
で、短軸はa=b、長軸は(ac)1/2であり、格子定数(原子
間距離)は、例えばTiO2の場合、約4.5Åと約5.4Åであ
る(格子定数の差20%)。このように、1軸方向では
マッチングするが、もう1方の軸方向では格子定数(原
子間距離)が大きく異なっている基板の上では、ペロブ
スカイト含有層状化合物Bi4Ti3O12は層状積層方向が基
板と垂直にはエピタキシャル成長することが困難であ
る。しかも、ルチル構造は(101)面の面内原子間距
離である約5.4Åはa軸又はb軸とマッチングすると共
に、図6に見られるように、約4.5Åは4.5Åx7=31.5Å
であるのでBi4Ti3O12のc軸の格子定数32.8Åに大略マッ
チングできる。一般的に格子定数または酸素原子間距離
のマッチングは15%以内であれば問題ないのでルチル
構造ではこれが可能である。ここで重要なことは、理論
に拘束されるものではないが、基板の格子定数(原子間
距離)の1つがBi4Ti3O12の層状積層方向の格子定数
(原子間距離)にマッチングすることよりも、基板の格
子定数(原子間距離)の1つがBi4Ti3O12の層内方向の
格子定数(原子間距離)にマッチングしながら、他の方
向の格子定数(原子間距離)がBi4Ti3O12の層内方向の
格子定数(原子間距離)にマッチングしないことであ
り、そのためにBi4Ti3O12の層状積層方向が基板面に垂
直方向に成長することが禁止されることが重要であり、
その結果として、基板のそのマッチングしない方向の格
子定数(原子間距離)がBi4Ti3O12の層状積層方向の格
子定数(原子間距離)に相対的にマッチングするように
なり、ペロブスカイト含有層状化合物Bi4Ti3O12がその
層状積層方向が基板面と平行になるように結晶成長(エ
ピタキシャル成長)すると考えられる。
On the other hand, crystals of rutile structure (10
1) When cut out on the plane, the axial length is a = b> c in the rutile structure.
, The minor axis is a = b, the major axis is (ac) 1/2 , and the lattice constant (interatomic distance) is about 4.5Å and about 5.4Å for TiO 2 , for example (difference in lattice constant 20%). Thus, on a substrate that matches in the one axis direction but has a large difference in lattice constant (atomic distance) in the other axis direction, the perovskite-containing layered compound Bi 4 Ti 3 O 12 is deposited in the layered stacking direction. However, it is difficult to grow epitaxially vertically to the substrate. Moreover, in the rutile structure, the in-plane interatomic distance of the (101) plane of about 5.4Å matches the a-axis or the b-axis, and as shown in FIG. 6, about 4.5Å is 4.5Åx7 = 31.5Å
Therefore, we can roughly match the lattice constant 32.8Å of Bi 4 Ti 3 O 12 on the c-axis. Generally, there is no problem in matching the lattice constant or the distance between oxygen atoms within 15%, so that this is possible in the rutile structure. What is important here is not to be bound by theory, but one of the lattice constants (interatomic distance) of the substrate matches the lattice constant (interatomic distance) of Bi 4 Ti 3 O 12 in the layered stacking direction. Rather, one of the lattice constants (interatomic distance) of the substrate matches the lattice constant (interatomic distance) in the layer of Bi 4 Ti 3 O 12 while the lattice constant (interatomic distance) in the other direction. Does not match the lattice constant (distance between atoms) in the in-layer direction of Bi 4 Ti 3 O 12 , and therefore the layered stacking direction of Bi 4 Ti 3 O 12 is prohibited to grow in the direction perpendicular to the substrate surface. Is important,
As a result, the lattice constant (interatomic distance) in the unmatched direction of the substrate becomes relatively matched to the lattice constant (interatomic distance) in the layered stacking direction of Bi 4 Ti 3 O 12 , and the perovskite-containing layered layered It is considered that the compound Bi 4 Ti 3 O 12 undergoes crystal growth (epitaxial growth) so that its layered stacking direction is parallel to the substrate surface.

【0021】上記では格子定数が4.5ÅのTiO2とBi4Ti3O
12を参照して説明したが、特にルチル構造の格子定数が
約4.2〜4.8Å、より好ましくは約4.3〜4.5Åの範囲内で
あれば、(101)面等を使うことにより、好ましくペ
ロブスカイト含有層状化合物(典型的なc軸は約11〜32
Å)をその層状積層方向が基板面と平行になるように結
晶成長させることができる。ルチル構造の(101)面
では、短軸はa≒b、長軸は(ac)1/2であるので、短軸約
4.2〜4.8Åに対して、長軸が好ましく約5.2〜5.6Åであ
ることができる。
In the above, TiO 2 and Bi 4 Ti 3 O having a lattice constant of 4.5Å
As described with reference to 12 , especially when the lattice constant of the rutile structure is in the range of about 4.2 to 4.8Å, more preferably in the range of about 4.3 to 4.5Å, by using the (101) plane, etc., the perovskite content is preferably contained. Layered compounds (typical c-axis is about 11-32
Å) can be crystal-grown such that the layered stacking direction is parallel to the substrate surface. In the (101) plane of the rutile structure, the minor axis is a≈b and the major axis is (ac) 1/2 , so
The long axis may preferably be about 5.2-5.6Å, as opposed to 4.2-4.8Å.

【0022】このように、基板の結晶構造とペロブスカ
イト含有層状化合物の結晶成長の関係は一般的に成立す
る。結晶ユニットのとり方はペロブスカイト構造を上記
のAタイプ又はBタイプユニットとすることなく、45
°回転したユニットにされることもあるので、そのよう
な場合には格子定数ではなく、原子間距離の方が重要で
ある。
Thus, the relationship between the crystal structure of the substrate and the crystal growth of the perovskite-containing layered compound is generally established. The crystal unit is 45% without the perovskite structure being the A type or B type unit described above.
In some cases, the interatomic distance is more important than the lattice constant, because it may be rotated units.

【0023】上記の意味で、ルチル構造の(101)面
は、一般的に、ペロブスカイト含有層状化合物をその層
状積層方向が基板面と平行になるように結晶成長させる
基板として適しており、そしてこの事実は実験的にも確
認される。
In the above sense, the (101) plane of the rutile structure is generally suitable as a substrate for crystallizing a perovskite-containing layered compound so that its layered stacking direction is parallel to the substrate surface, and The fact is confirmed experimentally.

【0024】本発明で基板として用いるルチル構造の結
晶質基板とは、結晶構造がルチル構造である化合物の結
晶質基板をいう。ルチル構造の基板は、上記の如く、ル
チル構造の結晶の格子定数及び/又は酸素原子間距離が
ペロブスカイト含有層状化合物をその層状の積層方向が
基板面と平行になる方位でエピタキシャル成長させるの
に非常に適したものであり、しかも、ルチル構造の化合
物には導電性あるいは半導体性の性質を有するものも多
数含まれる。従って、ルチル構造の基板を用いることに
より、ペロブスカイト含有層状化合物をその層状の積層
方向が基板面と平行になる方位でエピタキシャル成長さ
せることができ、しかも、基板として導電性あるいは半
導電性の基板の上にそのような成長が可能である。
The rutile structure crystalline substrate used as the substrate in the present invention refers to a compound crystalline substrate having a rutile structure as the crystal structure. As described above, the rutile structure substrate is very suitable for epitaxially growing the perovskite-containing layered compound in which the lattice constant of the crystal of the rutile structure and / or the distance between oxygen atoms is such that the layered stacking direction is parallel to the substrate surface. Compounds having a rutile structure, which are suitable, include a large number of compounds having conductive or semiconductive properties. Therefore, by using the rutile structure substrate, the perovskite-containing layered compound can be epitaxially grown in a direction in which the layered stacking direction is parallel to the substrate surface, and moreover, the substrate is a conductive or semi-conductive substrate. Such growth is possible.

【0025】ルチル構造の結晶質基板は単結晶基板でな
く、多結晶質基板でもよい。
The crystalline substrate having a rutile structure may be a polycrystalline substrate instead of a single crystal substrate.

【0026】また、基板は、所望のペロブスカイト含有
層状化合物の多くは酸化物であるので、それとの適合性
に優れている点から酸化物が好ましいが、限定されるわ
けではない。
In addition, since most of the desired perovskite-containing layered compound is an oxide, the substrate is preferably an oxide because of its excellent compatibility with it, but is not limited thereto.

【0027】ルチル構造の結晶をその格子定数(Å)と
共に例示すると、下記のものがある。これらの例の平
均、最大、最小の格子定数(Å)を併せて示す。 (酸化物) 化合物 a軸格子定数 c軸格子定数 CrO2 4.41 2.91 GeO2 4.359 2.859 IrO2 4.49 3.14 α-MnO2 4.359 2.86 MoO2 4.86 2.79 NbO2 4.77 2.96 OsO2 4.51 3.19 PbO2 4.964 3.379 RuO2 4.51 3.11 SnO2 4.737 3.185 δ-TaO2 4.709 3.065 TeO2 4.79 3.77 TiO2 (ルチル型) 4.5929 2.9591 WO2 4.86 2.77 AlAsO4 4.359 2.815CrVO4 4.551 2.844 平均値 4.6178 3.0389 最小値 4.359 2.77 最大値 4.946 3.77 (窒化物) 化合物 a軸格子定数 c軸格子定数 Ti2N 4.9452 3.0342 (ハロゲン化物) 化合物 a軸格子定数 c軸格子定数 CoF2 4.695 3.18 MgF2 4.623 3.052 MnF2 4.873 3.31 NiF2 4.651 3.084 PdF2 4.931 3.367ZnF2 4.703 3.0123 平均値 4.739 3.2051 最小値 4.623 3.052 最大値 4.931 3.367 全平均値 4.7011 3.0723 好ましいルチル構造の化合物は導電性又は半導電性(半
導体性)の化合物であり、特に導電性の化合物である。
好適な導電性のルチル構造化合物としてはIrO2, RuO2,
RhO2, OsO2, VO2, CrO2, NbO2, MoO2, WO2, ReO2, Rh
O2, PtO2, V3O5,VnO2n-1(n=4-8), Ti3O5, TinO2n-1, Sn
O2-x, NaxTiO2,を挙げることができる。因みにいくつか
の化合物の各軸方向の導電率及び格子定数は下記の通り
であり、(101)面及びこれと等価の面を使用すれば
よい。
Examples of crystals of rutile structure together with their lattice constants (Å) are as follows. The average, maximum and minimum lattice constants (Å) for these examples are also shown. (Oxide) Compound a-axis lattice constant c-axis lattice constant CrO 2 4.41 2.91 GeO 2 4.359 2.859 IrO 2 4.49 3.14 α-MnO 2 4.359 2.86 MoO 2 4.86 2.79 NbO 2 4.77 2.96 OsO 2 4.51 3.19 PbO 2 4.964 3.379 RuO 2 4.51 3.11 SnO 2 4.737 3.185 δ-TaO 2 4.709 3.065 TeO 2 4.79 3.77 TiO 2 (rutile type) 4.5929 2.9591 WO 2 4.86 2.77 AlAsO 4 4.359 2.815 CrVO 4 4.551 2.844 Average 4.6178 3.0389 Minimum 4.359 2.77 Maximum 4.946 3.77 (nitride ) Compound a-axis lattice constant c-axis lattice constant Ti 2 N 4.9452 3.0342 (halide) Compound a-axis lattice constant c-axis lattice constant CoF 2 4.695 3.18 MgF 2 4.623 3.052 MnF 2 4.873 3.31 NiF 2 4.651 3.084 PdF 2 4.931 3.367 ZnF 2 4.703 3.0123 Average 4.739 3.2051 Minimum 4.623 3.052 Maximum 4.931 3.367 Overall average value 4.7011 3.0723 Preferred compounds having a rutile structure are conductive or semiconductive (semiconductor) compounds, and particularly conductive compounds.
Suitable conductive rutile compounds include IrO 2 , RuO 2 ,
RhO 2 , OsO 2 , VO 2 , CrO 2 , NbO 2 , MoO 2 , WO 2 , ReO 2 , Rh
O 2 ,, PtO 2 ,, V 3 O 5 ,, V n O 2n-1 (n = 4-8), Ti 3 O 5 ,, Ti n O 2n-1,, S n
O 2-x, Na x TiO 2, it can be mentioned. Incidentally, the electrical conductivity and the lattice constant of each compound in each axial direction are as follows, and the (101) plane and a plane equivalent thereto may be used.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】また半導電性のルチル構造化合物として
は、TiO2, SnO2, GeO2などを挙げることができる。
Examples of the semiconductive rutile structure compound include TiO 2 , SnO 2 and GeO 2 .

【0030】このように導電性の基板にペロブスカイト
含有層状化合物を層状積層方向を基板表面に平行にエピ
タキシャル成長できることは、ペロブスカイト含有層状
化合物の高い特性を引き出す下地電極として利用できる
ので、本発明の極めて重要な利点である。電極として用
いる目的では導電性ルチル構造化合物は、別の基板、例
えば、アルミナなどの基板の表面だけに存在すれば十分
である。導電性ルチル構造化合物の所望の結晶面を別の
基板、例えば、アルミナなどの基板の表面に成長させる
技術は公知である。
As described above, the ability to epitaxially grow the perovskite-containing layered compound on the conductive substrate in the layer-by-layer direction parallel to the substrate surface can be utilized as a base electrode for drawing out the high characteristics of the perovskite-containing layered compound, and therefore is extremely important in the present invention. Is an advantage. For the purpose of use as an electrode, it is sufficient for the conductive rutile structure compound to be present only on the surface of another substrate, for example, a substrate such as alumina. A technique for growing a desired crystal plane of a conductive rutile structure compound on the surface of another substrate, for example, a substrate such as alumina is known.

【0031】本発明において、ルチル構造を有する結晶
質基板の表面にペロブスカイト含有層状化合物をエピタ
キシャル成長させる方法は、格別に限定されない。有機
金属化合物気相化学堆積法(MOCVD)が好ましい方
法であるが、スパッタ法その他の、各種のCVD法及び
PVD法を採用できるし、あるいは液相法も可能であ
る。本発明は基板とペロブスカイト含有層状化合物の結
晶格子の整合に基づくものであるからである。
In the present invention, the method for epitaxially growing the perovskite-containing layered compound on the surface of the crystalline substrate having a rutile structure is not particularly limited. Although a metalorganic chemical vapor deposition method (MOCVD) is a preferred method, various CVD methods and PVD methods other than the sputtering method can be adopted, or a liquid phase method is also possible. This is because the present invention is based on matching of the crystal lattices of the substrate and the perovskite-containing layered compound.

【0032】本発明の第2の側面では、基板として導電
性または半導電性のスピネル構造結晶質基板を用いた場
合にも、第1の側面と同様の効果を得ることができるこ
とを見出した。即ち、ルチル構造に限らず、スピネル構
造の化合物でも、ルチル構造の場合に説明したのと全く
同様の考察から、ペロブスカイト含有層状化合物をその
層状の積層方向を基板表面に平行に成長させる格子整合
を可能にするものが存在することを確認した。その結
果、導電性または半導電性のスピネル構造結晶質基板を
用いることにより、導電性または半導電性の性質を有す
る基板の上にペロブスカイト含有層状化合物をその層状
の積層方向を基板表面に平行に成長させることが可能に
なるので、ペロブスカイト含有層状化合物の強誘電性な
どの特性の高い層構造を有する電子素子、さらにはその
ような電子素子を含む電子装置を製造することが可能に
される。
In the second aspect of the present invention, it was found that the same effect as in the first aspect can be obtained even when a conductive or semiconductive spinel structure crystalline substrate is used as the substrate. That is, not only in the rutile structure, but in the spinel structure compound, from the completely same consideration as described in the case of the rutile structure, the perovskite-containing layered compound is subjected to lattice matching in which the layered stacking direction is grown parallel to the substrate surface. I've confirmed that there is something that makes it possible. As a result, by using a conductive or semi-conductive spinel structure crystalline substrate, a perovskite-containing layered compound is formed on a substrate having a conductive or semi-conductive property so that the layered lamination direction is parallel to the substrate surface. Since it can be grown, it becomes possible to manufacture an electronic device having a layer structure having a high property such as ferroelectricity of a perovskite-containing layered compound, and an electronic device including such an electronic device.

【0033】スピネル構造の基板を用いる場合も、結晶
面としては(110)面を用いる。スピネル構造ではa
≒b≒cであるので、短軸はa,b又はc、長軸は(ab)1/2,
(ac)1/ 2又は(bc)1/2≒√2(a,b又はc)である。これによ
り、ペロブスカイト含有層状化合物の層状の面内の結晶
の格子定数または酸素原子間隔の一方は基板とマッチン
グし、もう一方はミスマッチングして積層方向が基板面
と垂直になる方向での結晶成長は阻害されると共に、層
状の積層方向のそれはマッチングする結果、ペロブスカ
イト含有層状化合物をその層状の積層方向を基板表面に
平行に成長させることが可能にされるものである。
Even when a substrate having a spinel structure is used, the (110) plane is used as the crystal plane. A for spinel structure
≈b≈c, so the minor axis is a, b or c, the major axis is (ab) 1/2 ,
It is (ac) 1/2 or (bc) 1/2 ≒ √2 (a , b or c). As a result, one of the lattice constant of the in-plane crystal of the perovskite-containing layered compound or the oxygen atom spacing matches the substrate, and the other mismatches and crystal growth occurs in the direction in which the stacking direction is perpendicular to the substrate surface. And the matching in the layered stacking direction results in the growth of the perovskite-containing layered compound parallel to the substrate surface in the layered stacking direction.

【0034】このような導電性または半導電性のスピネ
ル構造結晶質基板を用いる場合には、格子定数あるいは
酸素原子間距離が先に述べた条件を満たすことが特に望
ましい。即ち、本発明で用いる基板では、基板の表面の
格子定数(又は酸素原子間隔)の一方がペロブスカイト
含有層状化合物、例えば、Bi4Ti3O12のa軸又はb軸の約
5.4Åにマッチングしながら、基板の表面のもう一方の
格子定数(酸素原子間隔)がa軸又はb軸の約5.4Åにマ
ッチングするのではなく、むしろその整数倍がペロブス
カイト含有層状化合物のc軸の格子定数にマッチングで
きる、より特定的には基板の表面のもう1つの格子定数
(酸素原子間隔)がペロブスカイト含有層状化合物のc
軸方向の酸素原子間隔にマッチングする結晶構造が好適
である(典型的には約4.2〜4.5Å)。とりわけ、基板表
面の格子定数(酸素原子間隔)の一方がペロブスカイト
含有層状化合物のa軸又はb軸の例えば約5.4Åにマッチ
ングしながら、もう一方の格子定数(酸素原子間隔)が
約4.2〜4.8Å、より好適には約4.3〜4.8Åである長方形
の格子点酸素(原子間隔)を有する結晶面を有する化合
物が特に好適である。格子定数または酸素原子間隔が約
15%以内であればマッチングできる。
When such a conductive or semi-conductive spinel structure crystalline substrate is used, it is particularly desirable that the lattice constant or the distance between oxygen atoms satisfies the above-mentioned conditions. That is, in the substrate used in the present invention, one of the lattice constants (or oxygen atom intervals) on the surface of the substrate has a perovskite-containing layered compound, for example, about 4 a-axis or b-axis of Bi 4 Ti 3 O 12.
While matching 5.4Å, the other lattice constant (oxygen atom spacing) on the surface of the substrate does not match about 5.4Å of the a-axis or b-axis, but rather its integer multiple is the c-axis of the perovskite-containing layered compound. Another lattice constant (oxygen atom spacing) on the surface of the substrate that can be matched to the lattice constant of is the c of the perovskite-containing layered compound.
A crystal structure that matches the oxygen atom spacing in the axial direction is preferable (typically about 4.2 to 4.5Å). In particular, one of the lattice constants (oxygen atom spacing) on the substrate surface matches the a-axis or b-axis of the perovskite-containing layered compound, for example, about 5.4Å, while the other lattice constant (oxygen atom spacing) is about 4.2 to 4.8. Especially preferred are compounds having a crystal plane with a rectangular lattice point oxygen (atomic spacing) of Å, more preferably about 4.3 to 4.8Å. Matching is possible if the lattice constant or the oxygen atom spacing is within about 15%.

【0035】導電性のスピネル構造の酸化物の例として
は、LiTi2O4, LiMxTi2-xO4(M=Li, Al,Cr), Li1-xMxTi2O
4(M=Mg, Mn), LiV2O4, Fe2O4などを挙げることができ
る。
Examples of conductive spinel structure oxides include LiTi 2 O 4 , LiM x Ti 2-x O 4 (M = Li, Al, Cr), Li 1-x M x Ti 2 O
4 (M = Mg, Mn), LiV 2 O 4 , Fe 2 O 4 and the like.

【0036】これらのスピネル構造の基板の上にペロブ
スカイト含有層状化合物をその層状の積層方向を基板表
面に平行に成長させる方法は、ルチル構造の場合と同様
に特に限定されない。
The method for growing the perovskite-containing layered compound on these spinel-structured substrates in a direction parallel to the surface of the substrate is not particularly limited as in the case of the rutile structure.

【0037】本発明の第3の側面によれば、導電性又は
半導電性基板の上にペロブスカイト含有層状化合物をそ
の層状の積層方向を基板表面に平行な方向に配向させて
エピタキシャル成長させてなる電子素子、及びそのよう
な電子素子を含む電子装置が提供される。ペロブスカイ
ト含有層状化合物は、強誘電体、超伝導体、圧電体、焦
電体、熱電体などの優れた性質を有する各種の化合物群
が存在する。そこでその物性を利用すべく、基板、特に
導電性基板の上にペロブスカイト含有層状化合物をエピ
タキシャル成長させることにより、導電性基板が電極と
して利用できるので、ペロブスカイト含有層状化合物の
優れた物性を利用した電子素子、例えば、強誘電体素
子、超伝導体素子、熱電体素子などを構成することが可
能であり、しかも本発明によればペロブスカイト含有層
状化合物をその層状の積層方向を基板表面に平行な方向
に配向させてエピタキシャル成長させることができるの
で、より高い物性値を持つ電子素子として構成すること
が可能である。こうして本発明によれば、導電性又は半
導電性基板の上にペロブスカイト含有層状化合物をその
層状の積層方向を基板表面に平行な方向に配向させてエ
ピタキシャル成長させてなる電子素子、及びそのような
電子素子を含む電子装置が提供される。本発明の電子素
子は例えば半導体装置に組み込むことも可能である。
According to the third aspect of the present invention, an electron is obtained by epitaxially growing a perovskite-containing layered compound on a conductive or semi-conductive substrate with the layered stacking direction oriented in a direction parallel to the substrate surface. Devices and electronic devices that include such electronic devices are provided. The perovskite-containing layered compound includes various compound groups having excellent properties such as a ferroelectric substance, a superconductor, a piezoelectric substance, a pyroelectric substance, and a thermoelectric substance. Therefore, in order to utilize its physical properties, the conductive substrate can be used as an electrode by epitaxially growing a perovskite-containing layered compound on a substrate, particularly a conductive substrate. Therefore, an electronic device utilizing the excellent physical properties of the perovskite-containing layered compound For example, it is possible to form a ferroelectric element, a superconductor element, a thermoelectric element, and the like, and according to the present invention, the perovskite-containing layered compound is laminated in a direction parallel to the substrate surface. Since it can be oriented and epitaxially grown, it can be configured as an electronic device having higher physical properties. Thus, according to the present invention, an electronic device obtained by epitaxially growing a perovskite-containing layered compound on a conductive or semi-conductive substrate with the lamination direction of the layered layer oriented in a direction parallel to the substrate surface, and such an electron. An electronic device including an element is provided. The electronic element of the present invention can be incorporated in, for example, a semiconductor device.

【0038】[0038]

【実施例】(実施例1)基板として、RFスパッタ法(基
板温度400〜600℃)及びCVD法(基板温度350℃)で (01
2)Al2O3上に (101)RuO2及び(101)IrO2を、また(101)TiO
2上に(101)IrO2を成膜した。できた膜はX線回折法で(10
1)面がエピタキシャル成長していることを確認した。導
電性も確認した。
[Example] (Example 1) As a substrate, RF sputtering method (substrate temperature 400 ~ 600 ℃) and CVD method (substrate temperature 350 ℃)
2) (101) RuO 2 and (101) IrO 2 on Al 2 O 3 and (101) TiO 2.
A film of (101) IrO 2 was formed on top of 2 . The resulting film was analyzed by X-ray diffraction (10
It was confirmed that the 1) plane was epitaxially grown. The conductivity was also confirmed.

【0039】これらの基板に、MOCVD法で(Bi,Nd)4
(Ti,V)3O12(BNTV)を成膜した。コールドウォール型反応
室を用い、原料はBi(CH3)3, Nd(TMOD)3, Ti(O-i-C
3H7)4, VO(OC2H5)3とO2の組合せとした。これらの原料
は液体原料に操作温度(約120〜130℃)の窒素ガ
スをバブリングして得た。ただし、Nd原料はNd(C12H21O
2)3(Nd(TMOD)3)固体を加熱して液体とし、バブリング
して得た。
On these substrates, (Bi, Nd) 4 was formed by MOCVD.
A film of (Ti, V) 3 O 12 (BNTV) was formed. Using a cold wall type reaction chamber, the raw materials are Bi (CH 3 ) 3 , Nd (TMOD) 3 , Ti (OiC
A combination of 3 H 7 ) 4 , VO (OC 2 H 5 ) 3 and O 2 was used. These raw materials were obtained by bubbling a liquid raw material with nitrogen gas at an operating temperature (about 120 to 130 ° C.). However, the Nd raw material is Nd (C 12 H 21 O
2 ) 3 (Nd (TMOD) 3 ) solid was heated to a liquid and bubbled to obtain.

【0040】図9に用いた縦型コールドウォール方式C
VD装置を示す。図9において、縦型コールドウォール
型反応室11内に配置した基板12はヒーター13で加熱可能
である。上記原料はオイル浴21により所定温度に設定し
た容器14-17に収容されている。容器18,19はキャリアガ
スの窒素の容器、容器20は酸素の容器である。計量計を
22、真空ポンプを23で示す。容器18からの窒素ガスは最
初に容器14-17でバブリングして窒素ガス中に原料ガス
を含有させ、これらの原料ガスを酸素ガス20と共に反応
室に送り、目的のBNTVを基板12上に堆積した。
Vertical cold wall system C used in FIG.
2 shows a VD device. In FIG. 9, the substrate 12 placed in the vertical cold wall type reaction chamber 11 can be heated by the heater 13. The above raw materials are contained in a container 14-17 set to a predetermined temperature by an oil bath 21. The containers 18 and 19 are carrier gas nitrogen containers, and the container 20 is an oxygen container. Meter
The reference numeral 22 and the vacuum pump are indicated by 23. The nitrogen gas from the container 18 is first bubbled in the container 14-17 so that the raw material gas is contained in the nitrogen gas, these raw material gases are sent to the reaction chamber together with the oxygen gas 20, and the target BNTV is deposited on the substrate 12. did.

【0041】基板温度は600℃、堆積時間は膜厚30
0nmの場合3時間であった。
The substrate temperature is 600 ° C., and the deposition time is a film thickness of 30.
It was 3 hours at 0 nm.

【0042】得られた薄膜は蛍光X線回折法で分析し、
基板上に(100)(010)BiNdTiVO(BNTV)エピタキシャル層、
即ち、a, b軸配向したBNTV結晶が生成していることを確
認した。図10に(101)RuO2基板上に形成したBNTVのX
線回折チャートを示す。基板上にa, b軸配向したBNTVが
形成していることが認められる。
The obtained thin film was analyzed by a fluorescent X-ray diffraction method,
(100) (010) BiNdTiVO (BNTV) epitaxial layer on the substrate,
That is, it was confirmed that BNTV crystals with a-axis and b-axis orientation were generated. Figure 10 shows X of BNTV formed on (101) RuO 2 substrate.
A line diffraction chart is shown. It can be seen that BNTV with a-axis and b-axis orientation is formed on the substrate.

【0043】得られた基板上に成長した(100)BiNdTiVO
(BNTV)の薄膜の電界−分極(P−E)ヒステリシス曲線
を図11に示す。残留分極は23.3μC/cm2、抗電界
は249kV/cmであった。
(100) BiNdTiVO 4 grown on the obtained substrate
The electric field-polarization (PE) hysteresis curve of the thin film of (BNTV) is shown in FIG. The remanent polarization was 23.3 μC / cm 2 , and the coercive electric field was 249 kV / cm.

【0044】比較のためにc軸配向したBNTVの薄膜の電
界−分極(P−E)ヒステリシス曲線を併せて図11に
示すが、残留分極は1μC/cm2、抗電界は40kV/cmであ
り、本発明によりa,b軸配向させたことにより強誘電特
性が大きく改良されていることが認められる。
For comparison, the electric field-polarization (PE) hysteresis curve of the c-axis oriented BNTV thin film is also shown in FIG. 11. The residual polarization is 1 μC / cm 2 , and the coercive electric field is 40 kV / cm. It is recognized that the ferroelectric properties are greatly improved by orienting the a and b axes according to the present invention.

【0045】この実施例では基板として導電性のRuO2
用いているので、堆積したBNTVの薄膜の強誘電特性は、
薄膜を基板から剥離することなく、そのままで測定し
た。
In this embodiment, since conductive RuO 2 is used as the substrate, the ferroelectric characteristics of the deposited BNTV thin film are as follows.
It was measured as it was without peeling the thin film from the substrate.

【0046】次いで、このBNTVの薄膜の疲労特性を測定
した。100kHz矩形波6x109回の反転後の反転電流量を図
12に示すが実質的に疲労がなく、優れた疲労特性を有
していることが認められる。
Next, the fatigue characteristics of this BNTV thin film were measured. The reversal current amount after reversal of 100 kHz rectangular wave 6 × 10 9 times is shown in FIG. 12, and it is recognized that there is substantially no fatigue, and that it has excellent fatigue characteristics.

【0047】IrO2基板上でもRuO2基板上と同様の結果を
得た。
Similar results were obtained on the IrO 2 substrate as on the RuO 2 substrate.

【0048】(実施例2)膜厚を22μmに変えて実施
例1と同様にして成膜した、(101)RuO2//Al2O3基板上に
形成した別の(100)(010)(Bi3.6Nd0.4)(Ti2.9V0.1)O12(B
NTV)層のX線回折チャートを図13に示すが、より優れ
た残留分極24μC/cm2、抗電界113kV/cmが得られて
いる。
(Example 2) Another (100) (010) film formed on a (101) RuO 2 // Al 2 O 3 substrate was formed in the same manner as in Example 1 except that the film thickness was changed to 22 μm. (Bi 3.6 Nd 0.4 ) (Ti 2.9 V 0.1 ) O 12 (B
The X-ray diffraction chart of the (NTV) layer is shown in FIG. 13, and excellent remanent polarization of 24 μC / cm 2 and coercive electric field of 113 kV / cm are obtained.

【0049】また図14はその疲労特性を示すが、100k
Hz矩形波を用いた1.6x1010回の反転後にも実質的に疲労
がなく、より優れた疲労特性を有していることが認めら
れる。
FIG. 14 shows the fatigue characteristics, which are 100 k
Even after 1.6 × 10 10 times of inversion using the Hz square wave, there is virtually no fatigue, and it is recognized that the fatigue characteristics are superior.

【0050】(実施例3)実施例1と同様の手法で、(1
01)TiO2単結晶基板の上に(100)(101)Bi4Ti3O12を成膜し
た。
(Embodiment 3) In the same manner as in Embodiment 1, (1
A (100) (101) Bi 4 Ti 3 O 12 film was formed on a 01) TiO 2 single crystal substrate.

【0051】基板上に成長したBi4Ti3O12結晶が上記の
如くa,b軸配向していることは電子線回折で確認した
(図15)。
It was confirmed by electron diffraction that the Bi 4 Ti 3 O 12 crystal grown on the substrate was oriented in the a and b axes as described above (FIG. 15).

【0052】図16(あ)にBi層状を横から見たときの
透過電子顕微鏡(TEM)写真を示すが、B2O2 2-とBi2TiO10
2+の層状方向が基板に平行であることが観察される。比
較のためにこれを90°回転した方向から見たTEM写
真を図16(い)に示す。
FIG. 16A shows a transmission electron microscope (TEM) photograph when the Bi layer is viewed from the side. B 2 O 2 2− and Bi 2 TiO 10 are shown.
It is observed that the 2+ layered direction is parallel to the substrate. For comparison, a TEM photograph viewed from the direction rotated by 90 ° is shown in FIG.

【0053】(実施例4)実施例1と同様にして、(10
0)cCaRuO3//(100)SrTiO3を基板とし、その上にMOCVD法
でBi4Ti3O12(BIT)を堆積した。
(Example 4) In the same manner as in Example 1, (10
0) c CaRuO 3 // (100) SrTiO 3 was used as a substrate, on which Bi 4 Ti 3 O 12 (BIT) was deposited by MOCVD.

【0054】得られた薄膜BIT薄膜のX線回折チャート
を図17に示すが、(100)cCaRuO3//(100)SrTiO3基板上
に(001) Ba4Ti3O12がエピタキシャル成長していること
が認められる。
The X-ray diffraction chart of the obtained thin film BIT thin film is shown in FIG. 17. (001) Ba 4 Ti 3 O 12 was epitaxially grown on the (100) c CaRuO 3 // (100) SrTiO 3 substrate. It is recognized that

【0055】(実施例5)実施例3と同様にして、(10
1)TiO2単結晶基板の上に(100)(010)SrBi2Ta2O9を成膜し
た。
(Example 5) In the same manner as in Example 3, (10
1) A (100) (010) SrBi 2 Ta 2 O 9 film was formed on a TiO 2 single crystal substrate.

【0056】基板上に成長したSrBi2Ta2O9結晶が上記の
如くa,b軸配向していることはX線回折で確認した(図
18)。図19はX線極点図形であるが、エピタキシャ
ル成長していることが確認される。
It was confirmed by X-ray diffraction that the SrBi 2 Ta 2 O 9 crystal grown on the substrate was oriented in the a and b axes as described above (FIG. 18). Although FIG. 19 is an X-ray pole figure, it is confirmed that epitaxial growth is performed.

【0057】(実施例6)実施例5において、基板を(1
01)RuO2//(110)Al2O3に変えて、同様にして(100)(010)S
rBi2Ti2O9を成膜した。
(Example 6) In Example 5, the substrate was
01) RuO 2 // Change to (110) Al 2 O 3 and do the same for (100) (010) S
A film of rBi 2 Ti 2 O 9 was formed.

【0058】図20のX線回折チャートに示す如く、a,
b軸配向していることが確認される。
As shown in the X-ray diffraction chart of FIG. 20, a,
It is confirmed that the b-axis is oriented.

【0059】この薄膜に電圧を印加して分極特性及び絶
縁特性を調べた結果を図21、図22に示す。優れた分
極ヒステリシス特性及び絶縁特性が得られていることが
見られる。
21 and 22 show the results of examining the polarization characteristics and the insulation characteristics by applying a voltage to this thin film. It can be seen that excellent polarization hysteresis characteristics and insulation characteristics are obtained.

【0060】(実施例7)(110)MgAl2O4単結晶基板上
に、レーザアブレーション法でLiMgTi2O4ターゲットを
用い基板温度500℃として、スピネル構造の(010)(10
0)LiMgTi2O4薄膜を堆積した。得られたLiMgTi2O4薄膜の
結晶構造はX線回折法で確認し、また薄膜が導電性を示
すことも確認した。
Example 7 On a (110) MgAl 2 O 4 single crystal substrate, a LiMgTi 2 O 4 target was used by a laser ablation method at a substrate temperature of 500 ° C. and a spinel structure of (010) (10
0) A LiMgTi 2 O 4 thin film was deposited. The crystal structure of the obtained LiMgTi 2 O 4 thin film was confirmed by X-ray diffractometry, and it was also confirmed that the thin film exhibits conductivity.

【0061】この基板を用い、実施例3と同様にして、
Bi4Ti3O12を成膜した。成長温度を600℃、650℃、700℃
の3種とした。
Using this substrate, in the same manner as in Example 3,
Bi 4 Ti 3 O 12 was deposited. Growth temperature 600 ℃, 650 ℃, 700 ℃
3 kinds of.

【0062】いずれの条件でも、スピネル構造の(010)
(100)LiMgTi2O4基板上に (100)(010)Bi4Ti3O12結晶が成
長し、基板に垂直方向にa,b軸配向していること、エタ
キシャル成長していることがX線回折で確認された。
Under any of the conditions, the spinel structure of (010)
The fact that (100) (010) Bi 4 Ti 3 O 12 crystal grows on a (100) LiMgTi 2 O 4 substrate and has a, b-axis orientation in the direction perpendicular to the substrate, and that it grows axially is X. Confirmed by line diffraction.

【0063】[0063]

【発明の効果】本発明によれば、ペロブスカイト含有層
状化合物を層状の積層方向が基板面と平行になる方位で
エピタキシャル成長することが可能にされ、特に従来可
能でなかったRuO2、IrO2など導電性の基板上に、強誘電
体その他の特性値に優れる層状の積層方向が基板面と平
行になる方位でエピタキシャル成長することが可能にさ
れるので、ペロブスカイト含有層状化合物が持つ強誘電
性その他の高い特性を利用した素子を形成できる効果が
ある。
According to the present invention, it is possible to epitaxially grow a perovskite-containing layered compound in an orientation in which the layered stacking direction is parallel to the substrate surface, and RuO 2 , IrO 2, etc. It is possible to grow epitaxially on a flexible substrate in the direction in which the layered direction of the ferroelectric or other layer having excellent characteristic values is parallel to the substrate surface. Therefore, the perovskite-containing layered compound has high ferroelectricity and other properties. There is an effect that an element utilizing the characteristics can be formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】Bi4Ti3O12構造の結晶構造を示す。FIG. 1 shows a crystal structure of Bi 4 Ti 3 O 12 structure.

【図2】K2NiF4構造の結晶構造を示す。FIG. 2 shows a crystal structure of K 2 NiF 4 structure.

【図3】Sr3Ti2O7構造の結晶構造を示す。FIG. 3 shows a crystal structure of Sr 3 Ti 2 O 7 structure.

【図4】Bi4Ti3O12を層状の積層方向を側面から見た図
(図4(あ))と、層を底面から見た図(図4(い))
である。
FIG. 4 is a view of the layered Bi 4 Ti 3 O 12 layer viewed from the side (FIG. 4A) and a view of the layer from the bottom (FIG. 4I).
Is.

【図5】YBa2Cu3O7-xの構造を積層方向を側面から見た
図(図5(あ))と、層を底面から見た図(図5
(い))である。
5 is a view of the structure of YBa 2 Cu 3 O 7-x as viewed from the side in the stacking direction (FIG. 5A) and a view of the layers as viewed from the bottom (FIG. 5).
(I)).

【図6】LaSrCoO4の構造を積層方向を側面から見た図
(図6(あ))と、層を底面から見た図(図6(い))
である。
6 is a view of the structure of LaSrCoO 4 as viewed from the side in the stacking direction (FIG. 6A) and a view of the layers as viewed from the bottom (FIG. 6I).
Is.

【図7】ペロブスカイト含有層状化合物結晶が基板の格
子定数とマッチングする様子を説明する図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining how the perovskite-containing layered compound crystal matches the lattice constant of the substrate.

【図8】ペロブスカイト含有層状化合物が基板に層状の
積層方向が基板面と平行になる方位でエピタキシャル成
長する様子を示す。
FIG. 8 shows a state in which a perovskite-containing layered compound is epitaxially grown on a substrate in a direction in which the layered stacking direction is parallel to the substrate surface.

【図9】縦型コールドウォール方式CVD装置を示す。FIG. 9 shows a vertical cold wall type CVD apparatus.

【図10】実施例1で得られた(101)RuO2基板上に形成
したBNTV層のX線回折チャートを示す。
FIG. 10 shows an X-ray diffraction chart of the BNTV layer formed on the (101) RuO 2 substrate obtained in Example 1.

【図11】実施例1で得られたa,b軸配向である(10
0)(010)BNTVの薄膜の電界−分極(P−E)ヒステリシ
ス曲線を、c軸配向したBNTVのそれと比較して示す。
FIG. 11 shows a and b axis orientations obtained in Example 1 (10
The field-polarization (P-E) hysteresis curve of the thin film of 0) (010) BNTV is shown in comparison with that of c-axis oriented BNTV.

【図12】実施例1で得られたBNTVの薄膜の疲労特性を
測定した結果を示す。
FIG. 12 shows the results of measuring the fatigue properties of the BNTV thin film obtained in Example 1.

【図13】実施例2で得られた別のa,b軸配向BNTVの
薄膜の電界−分極(P−E)ヒステリシス曲線を示す。
13 shows an electric field-polarization (PE) hysteresis curve of another thin film of a- and b-axis oriented BNTV obtained in Example 2. FIG.

【図14】実施例1で得られた別のa,b軸配向BNTVの
薄膜の疲労特性を測定した結果を示す。
FIG. 14 shows the results of measuring the fatigue properties of thin films of another a-axis and b-axis oriented BNTV obtained in Example 1.

【図15】実施例3で得られたBi4Ti3O12//(101)TiO2
a,b軸配向していることを確認する電子線回折写真で
ある。
FIG. 15 is an electron beam diffraction photograph confirming that Bi 4 Ti 3 O 12 // (101) TiO 2 obtained in Example 3 is a- and b-axis oriented.

【図16】実施例3で得られたa,b軸配向Bi4Ti3O12/
/(101)TiO2のTEM写真である。
FIG. 16: a, b-axis oriented Bi 4 Ti 3 O 12 / obtained in Example 3
It is a TEM photograph of / (101) TiO 2 .

【図17】実施例4で得られた(100)cCaRuO3//(100)SrT
iO3基板上に形成したBi4Ti3O12(BIT)薄膜のX線回折チ
ャートを示す。
FIG. 17: (100) c CaRuO 3 // (100) SrT obtained in Example 4
iO 3 shows the Bi 4 Ti 3 O 12 (BIT ) X -ray diffraction chart of the thin film formed on a substrate.

【図18】実施例5で得られた(101)TiO2単結晶基板上
に成長した(100)(010)SrBi2Ta2O9薄膜のX線回折チャー
トである。
FIG. 18 is an X-ray diffraction chart of the (100) (010) SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film grown on the (101) TiO 2 single crystal substrate obtained in Example 5.

【図19】図18のSBT薄膜のX線極線図形である。19 is an X-ray polar diagram of the SBT thin film of FIG.

【図20】実施例6で得られた(101)RuO2//(110)Al2O3
基板上の(100)(010)SrBi2Ta2O9薄膜のX線回折チャート
である。
FIG. 20: (101) RuO 2 // (110) Al 2 O 3 obtained in Example 6
3 is an X-ray diffraction chart of a (100) (010) SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film on a substrate.

【図21】実施例6で得られた(101)RuO2//(110)Al2O3
基板上の(100)(010)SrBi2Ta2O9薄膜の電界―分極ヒステ
リシス曲線である。
FIG. 21: (101) RuO 2 // (110) Al 2 O 3 obtained in Example 6
2 is an electric field-polarization hysteresis curve of a (100) (010) SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film on a substrate.

【図22】実施例6で得られた(101)RuO2//(110)Al2O3
基板上の(100)(010)SrBi2Ti2O9薄膜の電圧―リーク電流
密度特性である。
FIG. 22 (101) RuO 2 // (110) Al 2 O 3 obtained in Example 6
It is a voltage-leakage current density characteristic of the (100) (010) SrBi 2 Ti 2 O 9 thin film on the substrate.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C30B 29/32 C30B 29/32 W Fターム(参考) 4G077 AA03 BC41 DB08 ED05 ED06 EF01 HA05 TB05 TK01 TK06 4K030 AA11 AA18 BA42 BB02 BB03 CA01 CA05 FA10 5E034 BB05 DA02 DB03 DE08 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) C30B 29/32 C30B 29/32 WF term (reference) 4G077 AA03 BC41 DB08 ED05 ED06 EF01 HA05 TB05 TK01 TK06 4K030 AA11 AA18 BA42 BB02 BB03 CA01 CA05 FA10 5E034 BB05 DA02 DB03 DE08

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ルチル構造の結晶質基板上に、ペロブス
カイト含有層状化合物がその化合物の層状の積層方向が
基板面と平行になる方位でエピタキシャル成長されてい
ることを特徴とするペロブスカイト含有層状化合物積層
体。
1. A perovskite-containing layered compound laminate, wherein a perovskite-containing layered compound is epitaxially grown on a crystalline substrate having a rutile structure in a direction in which the layered stacking direction of the compound is parallel to the substrate surface. .
【請求項2】 導電性または半導電性のスピネル構造結
晶質基板上に、ペロブスカイト含有層状化合物がその化
合物の層状の積層方向が基板面と平行になる方位でエピ
タキシャル成長されていることを特徴とするペロブスカ
イト含有層状化合物積層体。
2. A perovskite-containing layered compound is epitaxially grown on a conductive or semiconductive spinel structure crystalline substrate in a direction in which the layered stacking direction of the compound is parallel to the substrate surface. Perovskite-containing layered compound laminate.
【請求項3】 前記ペロブスカイト含有層状化合物が、
[(Bi2O2)2+][(Am-1B mO3m+1)2-])(Aは1価、2価または
3価の金属イオンあるいはそれらの混合物であり、BはT
i4+,Nb5+,Ta5+,V5+, W6+あるいはそれらの混合物であ
り、m=1〜5)で表される(Bi2O2)2+の層とペロブス
カイト構造の(Am-1BmO3m+1)2-ユニットを含有するペロ
ブスカイト含有ビスマス層状化合物である請求項1また
は2に記載のペロブスカイト含有層状化合物積層体。
3. The perovskite-containing layered compound,
[(Bi2O2)2+] [(Am-1B mO3m + 1)2-]) (A is monovalent, divalent or
Trivalent metal ion or mixture thereof, B is T
i4+, Nb5+, Ta5+, V5+, W6+Or a mixture of them
And m = 1-5) (Bi2O2)2+Layers and Perovs
Kite structure (Am-1BmO3m + 1)2-Pero containing unit
A bismuth-containing bismuth layered compound containing a skeleton.
Is the perovskite-containing layered compound laminate according to 2.
【請求項4】 前記基板がIrO2, RuO2, VO2, CrO2, NbO
2, MoO2, WO2, ReO2, RhO2, OsO2, PtO2, V3O5, VnO
2n-1(n=4-8), Ti3O5, TinO2n-1, SnO2-x, NaxTiO2から
選択された導電性基板である請求項1または3に記載の
ペロブスカイト含有層状化合物積層体。
4. The substrate is IrO 2 , RuO 2 , VO 2 , CrO 2 , NbO.
2 , MoO 2 , WO 2 , ReO 2 , RhO 2 , OsO 2 , PtO 2 , V 3 O 5 , V n O
The conductive substrate selected from 2n-1 (n = 4-8), Ti 3 O 5 , Ti n O 2n-1 , S n O 2-x and Na x TiO 2. The perovskite-containing layered compound laminate.
【請求項5】 前記基板がLiTi2O4, LiMxTi2-xO4(M=Li,
Al,Cr), Li1-xMxTi2O4(M=Mg,Mn), LiV2O4, Fe3O4から選
択された導電性基板である請求項2または3のいずれか
1項に記載のペロブスカイト含有層状化合物積層体。
5. The substrate is LiTi 2 O 4 , LiM x Ti 2-x O 4 (M = Li,
4. A conductive substrate selected from Al, Cr), Li 1-x M x Ti 2 O 4 (M = Mg, Mn), LiV 2 O 4 and Fe 3 O 4. The layered compound laminate containing perovskite according to the item 1.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載のペロブ
スカイト含有層状化合物層及び基板の構造を含み、前記
基板が導電性であり、前記ペロブスカイト含有層状化合
物層に対する底部電極をなしていることを特徴とする電
子素子。
6. A structure of a perovskite-containing layered compound layer and a substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein the substrate is electrically conductive and forms a bottom electrode for the perovskite-containing layered compound layer. An electronic device characterized by.
【請求項7】 請求項5に記載の電子素子を含む電子装
置。
7. An electronic device including the electronic device according to claim 5.
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