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JP2008085194A - Ferroelectric device - Google Patents

Ferroelectric device

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JP2008085194A
JP2008085194A JP2006265415A JP2006265415A JP2008085194A JP 2008085194 A JP2008085194 A JP 2008085194A JP 2006265415 A JP2006265415 A JP 2006265415A JP 2006265415 A JP2006265415 A JP 2006265415A JP 2008085194 A JP2008085194 A JP 2008085194A
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JP
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ferroelectric
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memory
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piezoelectric
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JP2006265415A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Morita
剛 森田
Original Assignee
Univ Of Tokyo
国立大学法人 東京大学
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferroelectric device which can suppress a power consumption without the need for continuing applying a voltage to keep a predetermined piezoelectric deformation, dielectric constant, and refractive index. <P>SOLUTION: A ferroelectric material is provided with a memory function of a piezoelectric deformation, a dielectric constant and a refractive index by the imprinting of an electric field. A piezoelectric device includes the ferroelectric material having the memory function for selectively keeping predetermined binary piezoelectric deformations without applying a voltage. A ferroelectric memory device includes the ferroelectric material having the memory function for selectively keeping predetermined binary dielectric constants without applying a voltage. An electrooptic device includes the ferroelectric material having the memory function for selectively keeping predetermined binary refractive indexes without applying a voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、強誘電体材料を備えた圧電デバイス、強誘電体メモリデバイス、電気光学デバイスなどの強誘電体デバイスに関する。 The present invention is a piezoelectric device comprising a ferroelectric material, a ferroelectric memory device, relates to a ferroelectric device, such as electro-optical devices.

強誘電体とは、外部電界による方向制御可能な自発分極を有する材料である。 The ferroelectric material is a material having a steerable spontaneous polarization by the external electric field. 強誘電特性のうち、圧電特性、誘電特性、光学特性は外部電界に対して強い非線形性を示すが、メモリ機能はないというのが常識であった。 Of ferroelectric properties, piezoelectric properties, dielectric properties, optical properties is a strong non-linear with respect to an external electric field, because there is no memory function was common sense. つまり、外部電界を0に戻すと、自発分極値の方向にかかわらず、同じ圧電歪み、同じ誘電率、同じ屈折率となる。 That is, when returning the external electric field to 0, regardless of the direction of the spontaneous polarization value, the same piezoelectric strain, the same dielectric constant, the same refractive index.

例えば、屈曲型圧電アクチュエータスイッチは、電圧を印加することで屈曲変形し、スイッチをオン又はオフの状態とする機械的リレーとして機能するが、そのオン又はオフの状態を保持するためには、電圧を印加し続けなくてはならない。 For example, the bending-type piezoelectric actuator switch, bending deformation by applying a voltage, will function as a mechanical relay for the state of on or off the switch, in order to hold the state of the on or off, the voltage It must continue to apply a. 同様に、電圧印加による誘電率制御を利用したメモリや、電圧印加による屈折率変化を利用した光プリズムも、その物性値を保持するためには電圧を印加し続けなくてはならない。 Similarly, the memory or utilizing the dielectric constant control by the voltage application, even light prism which utilizes a change in refractive index due to voltage application, must continue to apply a voltage in order to retain its physical properties.
特開2000−22091号公報 JP 2000-22091 JP

したがって、従来の強誘電体を利用した圧電デバイス、強誘電体メモリデバイス、電気光学デバイスなどの強誘電体デバイスでは、所定の圧電歪み、誘電率、屈折率を保持するためには、電圧を印可し続けなくてはならず、電力の消費量が大きくなってしまうという問題があった。 Thus, a piezoelectric device using a conventional ferroelectric, the ferroelectric memory device, the ferroelectric devices such as electro-optical devices, a predetermined piezoelectric strain, dielectric constant, in order to hold the refractive index, applying a voltage It must not not continue, there is a problem that consumption of electric power is increased.

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、所定の圧電歪み、誘電率、屈折率を保持するために電圧を印加し続ける必要がなく、電力の消費量を抑えることのできる強誘電体デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, a given piezoelectric strain, dielectric constant, it is not necessary to continuously apply a voltage to hold the refractive index, providing a ferroelectric device that can suppress the consumption of electric power an object of the present invention is to.

本発明の請求項1記載の強誘電体デバイスは、電界インプリントにより圧電歪み、誘電率、屈折率、圧電定数、電気機械結合係数、ヤング率、又は焦電定数のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたことを特徴とする。 Ferroelectric device according to claim 1 of the present invention, piezoelectric strain, dielectric constant by the electric field imprint, refractive index, piezoelectric constant, electromechanical coupling coefficient, Young's modulus, or the strength was granted a memory function of the pyroelectric constant characterized by comprising a dielectric material.

本発明の請求項2記載の強誘電体デバイスは、請求項1において、前記強誘電体材料はチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛のいずれかであることを特徴とする。 Ferroelectric device according to claim 2 of the present invention, in claim 1, wherein the ferroelectric material is lead zirconate titanate, lead titanate, barium titanate, lithium niobate, a lead lanthanum zirconate titanate characterized in that either.

本発明の請求項3記載の圧電デバイスは、電圧を印加せずとも所定の2値の圧電歪みを選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする。 The piezoelectric device according to claim 3 of the present invention, without applying a voltage comprises a ferroelectric material having a memory function for selectively retaining the piezoelectric strain of the predetermined binary, the memory function by the electric field imprint and characterized in that granted.

本発明の請求項4記載の誘電率検波型強誘電体メモリデバイスは、電圧を印加せずとも所定の2値の誘電率を選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする。 Dielectric constant detection type ferroelectric memory device according to claim 4 of the present invention, without applying a voltage comprises a ferroelectric material having a memory function for selectively retaining the dielectric constant of the predetermined binary, this wherein the memory function are those imparted by the electric field imprint.

本発明の請求項5記載の電気光学デバイスは、電圧を印加せずとも所定の2値の屈折率を選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする。 Electro-optical device according to claim 5 of the present invention, without applying a voltage comprises a ferroelectric material having a memory function for selectively retaining the refractive index of the predetermined binary, this memory function field imprint and characterized in that granted by.

本発明の強誘電体デバイスによれば、所定の圧電歪み、誘電率、屈折率を維持するために電圧を印加し続ける必要がなく、電力の消費量を抑えることのできる強誘電体デバイスを提供することができる。 According to the ferroelectric device of the present invention, the predetermined piezoelectric strain, dielectric constant, it is not necessary to continuously apply a voltage to maintain the refractive index, providing a ferroelectric device that can suppress the consumption of electric power can do. また、強誘電体材料の圧電特性、誘電特性、光学特性に新たにメモリ機能を付与することにより、今までに全くない強誘電体デバイスを提供することができる。 The piezoelectric properties of the ferroelectric material, dielectric properties, by newly applying the memory function to the optical properties, it is possible to provide the ferroelectric device no ever.

本発明の強誘電体デバイスは、電界インプリントにより圧電歪み、誘電率、屈折率、圧電定数、電気機械結合係数、ヤング率、又は焦電定数のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたものである。 Ferroelectric device of the present invention comprises a piezoelectric strain, dielectric constant by the electric field imprint, refractive index, piezoelectric constant, electromechanical coupling coefficient, Young's modulus, or a ferroelectric material which has been granted a memory function of the pyroelectric constant those were.

ここで、強誘電体デバイスとは、強誘電体材料を応用したすべてのデバイスのことをいい、圧電デバイス、強誘電体メモリデバイス、電気光学デバイス等を広く含む。 Here, the ferroelectric device, refers to all by applying the ferroelectric material device, comprising broadly a piezoelectric device, a ferroelectric memory device, an electro-optical device or the like.

また、強誘電体材料としては、特定のものに限定されるものではないが、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)が挙げられる。 As the ferroelectric material, but are not limited to a specific one, for example, lead zirconate titanate (PZT), lead titanate, barium titanate, lithium niobate, lead lanthanum zirconate titanate (PLZT), and the like.

また、本発明の圧電デバイスは、電界インプリントにより圧電歪みのメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたものである。 The piezoelectric device of the present invention are those having a ferroelectric material which has been granted a memory function of the piezoelectric strain by the electric field imprint. そして、このメモリ機能は、電圧を印加せずとも所定の2値の圧電歪みを選択的に保持する。 Then, the memory feature, without applying a voltage to selectively retain piezoelectric distortion of the predetermined binary.

また、本発明の誘電率検波型強誘電体メモリデバイスは、電界インプリントにより誘電率のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたものである。 Further, the dielectric constant detection type ferroelectric memory device of the present invention are those having a ferroelectric material which has been granted a memory function of the dielectric constant by the electric field imprint. そして、このメモリ機能は、電圧を印加せずとも所定の2値の誘電率を選択的に保持する。 Then, the memory feature, without applying a voltage selectively holds the dielectric constant of a given binary.

また、本発明の電気光学デバイスは、電界インプリントにより屈折率のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたものである。 Further, the electro-optical device of the present invention are those having a ferroelectric material which has been granted a memory function of the refractive index by the electric field imprint. そして、このメモリ機能は、電圧を印加せずとも所定の2値の屈折率を選択的に保持する。 Then, the memory feature, without applying a voltage to selectively retain the refractive index of the predetermined binary.

本発明は、強誘電体デバイスにおいて、電圧を印加しない状態でも圧電歪み、誘電率、屈折率を所定の値に保持することのできる機構を提案するものである。 The present invention provides a ferroelectric device, is to propose piezoelectric strain even when no voltage is applied, dielectric constant, a mechanism capable of holding the refractive index to a predetermined value. 以下、その原理について説明する。 The following describes the principle.

図1の左側に従来の強誘電体の概念として、電界(E)に対する電束密度(D)の関係を表すグラフで示すように、強誘電体は、正の電界を印加してから電界をゼロとしたときの電束密度は正の値P+をとり、負の電界を印加してから電界をゼロとしたときの電束密度は負の値P−をとる。 As a concept of a conventional ferroelectric on the left side of FIG. 1, as indicated by the graph showing the relationship between electric flux density (D) with respect to the electric field (E), ferroelectrics, the electric field from application of positive electric field electric flux density when formed into a zero takes a positive value P +, the electric flux density when an electric field was zero from the application of the negative electric field takes a negative value P-. このような電束密度の変化は分極方向の反転によって起こる。 This change in such electric flux density is caused by the polarization reversal of direction. このように、自発分極の向きを記憶するメモリ機能を有することから、強誘電体は、不揮発性メモリであるFeRAMに応用されている。 Thus, because it has a memory function of storing the direction of the spontaneous polarization, the ferroelectric is applied to the FeRAM is a nonvolatile memory. なお、上記の正の値P+と負の値P−の絶対値は同じになっている。 The absolute value of the positive value P + and negative values ​​P- are the same.

一方、強誘電体へ印加する電界に対する圧電歪み(S)、誘電率(ε)、屈折率(n)のそれぞれの関係を表すグラフは左右対称となり、強誘電体の分極方向を反転させても、これらの物性値は一定となる。 On the other hand, piezoelectric strain (S) for the electric field applied to the ferroelectric, dielectric constant (epsilon), even if the graph showing the respective relationships of the refractive index (n) becomes symmetrical, to reverse the polarization direction of the ferroelectric these physical property values ​​are constant. そして、正の電界を印加してから入力電圧をゼロとしたときと、負の電界を印加してから入力電圧をゼロとしたときのこれらの物性値は、それぞれ同一となる。 Then, the case where the input voltage from the application of a positive electric field to zero, these physical properties when the input voltage is zero from the application of the negative electric field are respectively the same. したがって、強誘電体は、圧電歪み、誘電率、屈折率についてはメモリ機能を有しない。 Thus, ferroelectric, piezoelectric strain, dielectric constant, the refractive index does not have a memory function.

つぎに、誘電印加方向にオフセット電界を付与、すなわち電界インプリントを施したものは、図1の右側に示すように、それぞれのグラフは左右方向にずれている。 Then, applying an offset field in the dielectric application direction, ie subjected to an electric field imprints, as shown on the right side of FIG. 1, each of the graph is shifted to the left or right. そして、分極方向の反転によって、電束密度(D)、圧電歪み(S)、誘電率(ε)、屈折率(n)が分極反転前とは異なる値を示す。 Then, the polarization direction of inverted, electric flux density (D), the piezoelectric distortion (S), indicating a different value is the dielectric constant (epsilon), the refractive index (n) is a pre-polarization inversion. このように、電界インプリントによって強誘電体にメモリ機能が付与される。 Thus, the memory function is imparted to the ferroelectric by the electric field imprint. そして、このメモリ機能により、電界を印加せずとも所定の2値の圧電歪み、誘電率、屈折率を選択的に保持したままとなる。 By this memory function, without applying an electric field piezoelectric strain of the predetermined binary, dielectric constant, and remains selectively hold the refractive index. このような自発分極による2つの安定な圧電歪み、誘電率、屈折率を有する強誘電体材料は、消費電力を抑えた各種スイッチをはじめとする種々の強誘電体デバイスに応用することができる。 Such two stable piezoelectric strain by spontaneous polarization, a ferroelectric material having a dielectric constant, the refractive index can be applied to various ferroelectric devices including various switches with reduced power consumption.

電界インプリントとは、電界の印加による分極反転の繰り返しによって強誘電体の分極に癖がつき、反転しにくくなる現象として知られており、従来から電界インプリントに関する現象は、強誘電体メモリに用いられる強誘電体薄膜における実験において観測されていた。 The electric field imprint, per habit to polarization of the ferroelectric by repeated polarization inversion by applying an electric field, is known as a phenomenon which is hardly inverted, the phenomenon relates to a field imprints conventionally, a ferroelectric memory It has been observed in experiments in a ferroelectric thin film used. この電界インプリントは、分極反転を用いたビット書き込み時に必要となる電圧(”0”書き込み時と”1”書き込み時)を変化させる。 The field imprint changes the voltage required at the time of bit write using polarization inversion ( "0" when writing a "1" when writing). 強誘電体メモリでは、電界に対して対称に分極反転させるため、電界インプリントをなくすことが求められる。 The ferroelectric memory in order to polarization inversion symmetry with respect to the electric field, it is required to eliminate the electric field imprint. したがって、いかにして電界インプリントをなくすかという研究がされ、基板界面層を除去する試みなどが行われてきた。 Therefore, the research of how to eliminate the electric field imprint, such attempts to remove the substrate interface layer have been made.

なお、現在、電界インプリントの原因として、(1)駆動電極界面付近の非反転強誘電体層、(2)強誘電体薄膜と駆動電極との格子ミスマッチング、(3)強誘電体の基板界面付近の格子欠陥による空間電荷層などが理由とされているが、まだ不明の点は多い。 Note that now, as the cause of the field imprint, (1) the non-inverting ferroelectric layer of the driving electrodes near the interface, (2) strong lattice mismatching between the dielectric film and the driving electrodes, (3) strong substrate of a dielectric Although such a space charge layer due to lattice defects near the interface is the reason, still unknown points are many.

本発明は、この電界インプリントを積極的に用いて強誘電体材料の圧電歪み、誘電率、屈折率にメモリ効果を付与し、このメモリ効果を付与した強誘電体材料を利用した、今までに全くない各種の強誘電体デバイスを提供する。 The present invention, piezoelectric strain of the ferroelectric material by using the electric field imprint actively, dielectric constant, the memory effect is given to the refractive index, using a ferroelectric material imparted with the memory effect, to date It provides various ferroelectric device not at all.

このような強誘電体デバイスの例としては、電力供給なしでその位置を保持し続けるスマート圧電スイッチが挙げられる。 Examples of such ferroelectric devices, smart piezoelectric switch and the like continue to hold its position without power supply. メモリ効果を付与した強誘電体材料を利用してメモリ保持機能付き圧電アクチュエータを構成することにより、RF−MEMSスイッチなどに応用することが可能である。 By constituting the piezoelectric actuator with a memory holding function by using a ferroelectric material imparted with a memory effect, it is possible to apply such a RF-MEMS switch.

従来の圧電アクチュエータでは、ある圧電変位を維持するためには、電圧を印可し続けなくてはならなかったが、本発明による圧電アクチュエータでは、電圧を0としてもある形状を保持し続けることができる。 In the conventional piezoelectric actuator, in order to maintain a certain piezoelectric displacement is had to continue to apply a voltage, the piezoelectric actuator according to the present invention, it is possible to continue to retain the shape, which is also the voltage 0 . この駆動には、パルス電圧で駆動することが可能で、外部コンデンサに蓄えた電荷を駆動源とすることにより、小さい消費電力で駆動できるようになる。 The drive, can be driven by a pulse voltage, by the charge stored in the external capacitor and a drive source, it becomes possible to drive a small electric power consumption. また、圧電駆動部を複数重ねる等の構造により、多値形状記憶とすることもできる。 Further, the structure of such superimposing a plurality of piezoelectric driving portion may be a multi-valued shape memory.

なお、本発明による圧電アクチュエータは、バイモルフ圧電素子や積層圧電素子など、あらゆる形状タイプのものに応用ができる。 The piezoelectric actuator according to the invention, such as bimorph piezoelectric elements and the laminated piezoelectric element, it is applicable to those of any shape type. また、圧電材料に関しても、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)だけにとどまらず、チタン酸鉛やチタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛(PLZT)など多結晶、単結晶にかかわらずあらゆる材料に用いることができる。 Further, with regard piezoelectric material, not only by the lead zirconate titanate (PZT), barium lead titanate and titanate, lithium niobate, lead lanthanum zirconate titanate (PLZT) such as polycrystalline, regardless of single crystal it can be used in any material.

また、誘電率変化を記録データとして保持する新しい原理の記録デバイスに応用できる。 Furthermore, it can be applied to recording devices of a new principle for holding the dielectric constant changes as the recording data. すなわち、交流電圧を印加した場合の電流値をデータとして検波することによる新しい原理のメモリが実現される。 That is, the memory of the new principle according to detection of the current value in the case of applying an AC voltage as the data is realized. 従来の電荷記録型のFeRAMとは異なり、誘電率検波となるために、極めて単純な構造とすることができ、その結果、デバイスの高密度化に貢献することができる。 Unlike conventional charge recording type FeRAM, for the dielectric constant detection, it can be a very simple structure, so that it is possible to contribute to higher density devices.

また、屈折率変化による光スマートスイッチに応用できる。 Further, applicable to optical smart switch due to the refractive index change. 現在、強誘電体の上部に三角形の電極を配置し、電圧を印加することにより光の伝搬方向を制御する光スイッチが研究されている。 Currently, the electrodes of the triangle placed on top of the ferroelectric, is an optical switch for controlling the direction of light propagation by applying a voltage has been studied. この場合、電圧の大きさにともない、光の伝搬方向が変化することになるが、メモリ効果を付与した強誘電体材料を利用することにより、電圧を印加しなくとも、ある方向に光の伝搬方向を保持することが可能となる。 In this case, as the magnitude of the voltage, but the propagation direction of the light will change, by utilizing the ferroelectric material imparted with a memory effect, without applying a voltage, the propagation of light in a certain direction it is possible to retain the direction.

さらに、光記憶素子に応用できる。 Furthermore, it can be applied to an optical storage device. 上記の光スマートスイッチの光の伝搬方向に光検出器を用意しておけば、強誘電体の分極方向を検出することが可能になるために、光記憶素子として応用することができる。 By preparing a light detector to the propagation direction of the above light smart switch light, in order to make it possible to detect the polarization direction of the ferroelectric can be applied as an optical storage device.

本発明の強誘電体デバイスは、上記のほか、加速度やジャイロなどのセンサとして用いられる圧電センサとしても応用できる。 Ferroelectric device of the present invention, In addition to the above, can be applied as a piezoelectric sensor used as a sensor such as an acceleration or a gyro. ここでは圧電定数がメモリされることにより、感度の異なる圧電センサとすることができる。 Here by the piezoelectric constant is the memory, it may be a different piezoelectric sensor sensitivity. これは、電気機械結合係数、すなわち電気エネルギーと機械エネルギーの変換効率がメモリされることと同じである。 This electromechanical coupling coefficient, that is, the conversion efficiency of electrical energy and mechanical energy is equivalent to the memory. さらに、圧電定数のヤング率は、電気機械結合係数の関数であるので、ヤング率もメモリされる。 Furthermore, the Young's modulus of the piezoelectric constant, because it is a function of the electromechanical coupling coefficient, Young's modulus is also memory.

また、強誘電体において、温度変化に伴い分極値が変化し、表面に電荷が励起される焦電効果という効果があるが、本発明の強誘電体デバイスでは、この焦電効果においてもメモリ効果を有するため、焦電定数がメモリされることにより、感度の異なる温度センサを構成することが可能である。 Further, in the ferroelectric, polarization value is changed due to temperature change, but the charge on the surface has the effect of pyroelectric excited, the ferroelectric device of the present invention, the memory effect in the pyroelectric effect for having, by pyroelectric constant is a memory, it is possible to configure different temperature sensor sensitivity.

このような電界インプリントを応用したメモリ機能付き強誘電体デバイスは、特に消費電力を抑えて小型軽量化することが求められているモバイル機器などへの応用が期待される。 Such field imprint memory function ferroelectric device that applies the application to mobile devices there is a demand for reduction in size and weight is expected particularly by suppressing the power consumption.

つぎに、電界インプリントを施す方法について説明する。 Next, a method of applying an electric field imprint. なお、電界インプリントを施す方法は以下の方法に限定されるものではない。 A method of applying an electric field imprint is not limited to the following methods.

図1の中央に示すように、導電性材料からなる導電性基板1上に、強誘電体材料からなる強誘電体膜2を形成し、強誘電体膜2上に電極3を置く。 As shown in the middle of Figure 1, on a conductive substrate 1 made of a conductive material to form a ferroelectric film 2 made of a ferroelectric material, placing the electrodes 3 on the ferroelectric film 2. そして、好ましくは100℃以上の環境下で1kV/mm以上の電界を1時間以上印加しつづけることにより、強誘電体膜2に電界インプリントが施される。 Then, preferably by continuously applied 1 hour or more 1 kV / mm or more field under 100 ° C. or higher environment, field imprint is applied to the ferroelectric film 2. 電界インプリントが施された強誘電体膜2への印加電界に対する電束密度(D)、圧電歪み(S)、誘電率(ε)、屈折率(n)のそれぞれの関係を表すグラフは、図1の右側に示すように、左右方向にずれる。 Electric flux density with respect to the applied electric field to the electric field imprinting ferroelectric film 2 which has been subjected (D), the piezoelectric distortion (S), a dielectric constant (epsilon), the graph showing the respective relationships of the refractive index (n), as shown on the right side of FIG. 1, displaced in the lateral direction.

なお、この電界インプリントの程度は、温度、電界、時間で制御可能であり、温度、電界、時間を制御することによって、強誘電体デバイスの目的や用途に応じた電界インプリントを施すことができる。 Incidentally, the degree of the electric field imprint, temperature, electric field, can be controlled by time, temperature, electric field, that by controlling the time, subjected to an electric field imprints in accordance with the purpose and application of the ferroelectric device it can. 温度が高いほど、電界が強いほど、時間が長いほど、電界インプリントの程度は大きくなり、図1に示すグラフのずれも大きくなる。 The higher the temperature, the more the electric field is stronger, the longer the time, the degree of electric field imprint is increased, the greater the deviation of the graph shown in FIG. また、強誘電体膜2を薄くすれば同じ電圧でも強い電界をかけることができる。 Further, it is possible to apply a strong electric field at the same voltage Thinner ferroelectric film 2.

さらに、上記のような高温下で強電界を付与する処理を施さず、強誘電体材料の合成条件を変えることによっても、電界インプリントを施したのと同様な状態をつくりだし、その程度を制御することができる。 Further, without being subjected to the process of giving a strong electric field at a high temperature as described above, by changing the synthesis conditions of the ferroelectric material, creating a similar state to that applied field imprint, control the degree can do. 例えば、強誘電体材料の結晶をエピタキシャル成長させることで、電界インプリントの原因となる(1)駆動電極界面付近の非反転強誘電体層、(2)強誘電体薄膜と駆動電極との格子ミスマッチング、(3)強誘電体の基板界面付近の格子欠陥による空間電荷層、などを生じさせ、電界インプリントが施されたのと同様な状態にすることができる。 For example, strong crystals of dielectric material by epitaxial growth, the non-inverting ferroelectric layer of the electric field in causing print (1) driving electrodes near the interface, (2) strong lattice miss the dielectric thin film and a driving electrode matching, (3) a ferroelectric spatial charge layer due to lattice defects of the substrate near the interface, to give due may be similar state to that field imprint has been performed.

あるいは、一方向に分極処理しておいた強誘電体材料において、駆動電界を調節することで部分的に分極反転を行わせることにより、電界インプリントが施されたのと同様のメモリ効果を付与することができる。 Alternatively, applying the ferroelectric material had been polarized in one direction, by causing the partially poled by adjusting the driving electric field, the same memory effect as field imprint has been performed can do.

なお、本発明において、「電界インプリント」とは、合成条件を変えることによって電界インプリントを施したのと同様な状態をつくりだすこと、一方向に分極処理した強誘電体材料において、駆動電界を適当に調節することで部分的に分極反転を行わせることによって電界インプリントを施したのと同様の状態をつくりだすことを含む。 In the present invention, a "field imprinting" means to create the same state as that subjected to the electric field imprint by changing the synthesis conditions, the ferroelectric material has been polarized in one direction, the driving electric field It includes creating a similar state to that applied field imprint by causing a partially poled by appropriately adjusting.

以下、具体例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。 Will be further described in detail by way of specific example, the present invention is not limited to the following examples, various modifications are possible.

電界インプリントによりメモリ機能を付与した強誘電体材料を、圧電デバイスとしての屈曲型圧電アクチュエータに応用した例について説明する。 A ferroelectric material imparted with a memory function by the electric field imprint, an example of an application to a bent-shaped piezoelectric actuator as a piezoelectric device.

図2の左側に示すように、従来の強誘電体を用いた屈曲型圧電アクチュエータは、電圧の印加時には強誘電体の圧電歪みの変化により屈曲するが、電圧を印加しないと圧電歪みがもとの値に戻り、もとの直線状の形状となる。 As shown on the left side of FIG. 2, the bending-type piezoelectric actuator using a conventional ferroelectric is bent by a change in the piezoelectric strain of the ferroelectric upon application of voltage, the piezoelectric strain when no voltage is applied to the original to return to the values, the original linear shape. このように、従来の強誘電体を用いた屈曲型圧電アクチュエータはメモリ機能を有しない。 Thus, the bending-type piezoelectric actuator using a conventional ferroelectric has no memory function.

これに対し、電界インプリントによりメモリ機能を与えた強誘電体を用いた屈曲型圧電アクチュエータは、例えば図2の右側に示すように、正の電圧を与えた後は、電圧の印加を停止しても所定のメモリ機能安定点で屈曲した形状を保持する。 In contrast, the bending-type piezoelectric actuator using a ferroelectric gave a memory function by the electric field imprint, for example, as shown on the right side of FIG. 2, after giving a positive voltage, and stops applying the voltage also it retains the shape bent in a predetermined memory function stability point. つぎに、負の電圧を与えた後は、電圧の印加を停止すると、別のメモリ機能安定点で形状を保持する。 Then, after giving a negative voltage, when stopping the application of voltage, to maintain the shape in a different memory functions stable point. このように、電界インプリントによりメモリ機能を与えた強誘電体を用いた屈曲型圧電アクチュエータは、メモリ機能を有する。 Thus, the bending-type piezoelectric actuator using a ferroelectric gave a memory function by the electric field imprint has a memory function.

なお、従来の圧電アクチュエータでは、分極反転しない外部電界範囲での駆動が行われていた。 In the conventional piezoelectric actuator, the driving of an external electric field range not polarization inversion was done. これは、外部電界と圧電歪みによる変位の関係を示すグラフ、いわゆる圧電歪みバタフライ曲線が圧電歪み軸に対して対称である場合には、分極反転しても圧電歪みは変化しないということと、分極反転すると外部電界に対する分極歪み方向が逆転してしまうためである。 This is because the fact that the graph showing the relationship between the displacement by the external electric field and piezoelectric strain, called piezoelectric strain butterfly curve if it is symmetrical with respect to the piezoelectric strain axis, piezoelectric strain does not change even if polarization reversal, polarization Invert polarization distortion direction against the external electric field is due to become reversed.

実際に、市販の屈曲型圧電アクチュエータ(日本セラテック社製LPD3713X)に電界インプリントによりメモリ機能を与えた。 Indeed, given the memory function by the electric field imprinting commercial bending type piezoelectric actuator (Nippon Ceratec Co. LPD3713X).

用いた屈曲型圧電アクチュエータは、図3に示すように、全体の厚さが0.6mmで、厚さ0.2mmの金属シム11の上下に厚さ0.2mmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)12が貼り付けてあり、幅は13.4mm、全体の長さ37mmの内、28mmにPZTがあり、残りの9mmの金属のみの部分を固定するバイモルフ構造となっている。 Bending type piezoelectric actuator using, as shown in FIG. 3, at the 0.6mm total thickness of the lead zirconate titanate having a thickness of 0.2mm and below the metal shim 11 having a thickness of 0.2mm (PZT) 12 is is affixed, width 13.4 mm, of the total length 37 mm, there is a PZT to 28mm, has a bimorph structure for fixing a portion of only the remaining 9mm metal. PZTの上には駆動用の電極13が設けられており、表裏面を導線14で接続している。 An electrode 13 is provided for driving on the PZT, connecting the front and rear surfaces with wire 14. 本実施例では、この導線14を切断し、片面のPZTのみを駆動するユニモルフとして用いた。 In this embodiment, cutting the conductor 14, it was used as a unimorph to drive only one side of the PZT. また、このアクチュエータは予め分極処理されているが、電界インプリントに先立ち5Hzの180Vの比較的大きな電圧を印可することにより、分極のされていない初期状態にした。 Although the actuator is previously polarized by applying a relatively large voltage 180V of 5Hz prior to field imprint and the initial state of not being polarizability.

予め150℃にしてある電気炉(ヤマト科学社製DKN302)中にアクチュエータを入れ、電気炉外の高電圧電源(メス−テック社製 M-2601)と接続して、700Vの直流電圧を印可した。 Put actuator into an electric furnace which had been in advance 0.99 ° C. (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. DKN302), electric furnace outside of the high voltage power supply - Connect the (female Tech Co. M-2601), was applied a DC voltage of 700V . 2時間の後に、電源をはずして短絡させた後に、電気炉から取り出し、印加電圧と圧電歪みによる変位の関係、いわゆる圧電歪みバタフライ曲線を測定した。 After 2 hours, the after short-circuiting disconnect the power taken out from the electric furnace, the relationship between the displacement by the applied voltage and the piezoelectric strain was measured so-called piezoelectric strain butterfly curve. その結果を図4に示す。 The results are shown in FIG.

なお、圧電歪みバタフライ曲線を測定するときの印加電圧は、ファンクションジェネレータ(NF1946)からの出力を高速アンプ(NF4010)で増幅してバイモルフに印加した。 Incidentally, the voltage applied when measuring a piezoelectric strain butterfly curve was applied to the bimorph output from the function generator (NF1946) is amplified by a high-speed amplifier (NF4010). 圧電歪みによる変位はレーザー変位計(キーエンス社製 LC2400)により測定した。 Displacement due to the piezoelectric strain was measured by a laser displacement meter (Keyence LC2400). そして、印加電圧をCh1、圧電歪みによる変位をCh2として、オシロスコープにより印加電圧と圧電歪みによる変位の関係を求めた。 Then, the applied voltage Ch1, the displacement caused by the piezoelectric strain as Ch2, to determine the relationship between the displacement by the applied voltage and the piezoelectric strain by the oscilloscope.

図4に示す結果から、圧電歪みバタフライ曲線が、電圧軸のプラス方向にシフトしていることがわかった。 From the results shown in FIG. 4, the piezoelectric strain butterfly curve was found to be shifted in the positive direction of the voltage axis. このグラフでは、電圧軸すなわち横軸のプラス方向は電界方向が下部電極としての中央の金属シム11から上部の電極13に向かう方向を取っている。 In this graph, the positive direction of the voltage axis or lateral axis electric field direction is taking direction from the center of the metal shim 11 as a lower electrode to the upper electrode 13. したがって、上部の電極13に与えた電圧を反転させたものが横軸である。 Thus, obtained by inverting the voltage applied to the upper electrode 13 is the horizontal axis. 電界インプリントの処理では、上部の電極13に700Vを加えた状態で保持したために、分極方向は下向きが安定な状態になる。 In the process of the field imprint, in order and held while applying a 700V to the upper electrode 13, the polarization direction is downward becomes a stable state. したがって、マイナス方向の分極が安定になるように電界インプリントが生じることになる。 Accordingly, the negative direction of polarization so that the electric field imprint to be stabilized, however. この結果、圧電歪みバタフライ曲線は、右にシフトすることが予想されるが、これは図2に示す結果と一致した。 As a result, the piezoelectric strain butterfly curve, it is expected to be shifted to the right, which is consistent with the results shown in FIG.

150℃の温度でさらに2時間、同じ700Vの直流電圧を印加した結果、圧電歪みバタフライ曲線は図5に示すように、さらに右にシフトした。 Additional 2 hours at a temperature of 0.99 ° C., the result of applying a DC voltage of the same 700 V, piezoelectric strain butterfly curve, as shown in FIG. 5, and further shifted to the right. また、新たなアクチュエータを用いて150℃の温度で逆方向の700Vの直流電圧を2時間印可した場合の圧電歪みバタフライ曲線は図6に示すように、逆向きの左にシフトした。 The piezoelectric strain butterfly curve when the applied 2 hours a DC voltage of reverse 700V at a temperature of 0.99 ° C. using a new actuator, as shown in FIG. 6, was shifted to the left in the opposite direction.

以上のように、本実施例では、電界の向き、電圧を印加する時間により、電界インプリントの大きさと向きを制御できることが確認された。 As described above, in this embodiment, the direction of the electric field, the time for applying the voltage, it was confirmed that can control the magnitude and direction of the electric field imprint.

つぎに、上記の150℃の環境で700Vの直流電圧を計4時間印加したアクチュエータを用いて、その形状記憶メモリ特性を評価した。 Next, by using an actuator that a DC voltage is applied a total of 4 hours of 700V in the above 0.99 ° C. environment, and evaluate the shape memory memory characteristics. パルス幅は0.1秒として、プラスパルスとマイナスパルスを交互に印可することにより、圧電歪みによる変位を測定した。 Pulse width of 0.1 seconds, by applying a positive pulse and negative pulse alternately to measure the displacement caused by the piezoelectric strain. なお、分極反転をさせるためのこれらのパルス印加の後は、駆動電圧を0とした。 Note that after these pulse application for causing the polarization reversal, the drive voltage is zero. 図7に示す結果から、分極反転をしたのちに電圧を0とすると、分極反転をする前と比べて0.12mm程度の変位を維持し続けていることがわかった。 From the results shown in Figure 7, when the zero voltage After the polarization inversion was found to continue to maintain the displacement of about 0.12mm, compared with before the polarization inversion. すなわち、電界インプリントにより、分極方向に伴って2つの圧電歪み安定点を有するようになり、形状記憶圧電アクチュエータとして機能することが確認された。 That is, the electric field imprinting, with the polarization direction takes on the two piezoelectric strain stable point, to function as a shape memory piezoelectric actuator was confirmed.

なお、本実施例においては、PZTユニモルフを例にとって説明したが、この構造に限定されるものではなく、全ての構造の圧電アクチュエータに応用が可能である。 In the present embodiment describes the PZT unimorph an example, but the invention is not limited to this structure, it can be applied to the piezoelectric actuator of any structure. 電圧0としても圧電変位を維持し続けることから、RF-MEMSスイッチなどの小型スイッチやマイクロ流路バルブなどに適用することで、消費電力を抑制することに貢献できる。 From continuing to maintain the piezoelectric displacement as the voltage 0, by applying such small switch or micro-channel valves, such as RF-MEMS switch, it can contribute to reduce the consumption power. また、パルス駆動による駆動電圧の低減を図ることができ、さらにアクチュエータの構造を工夫することによって、多値形状記憶型のアクチュエータに適用することもできる。 Further, it is possible to reduce the driving voltage by pulse driving, by further devising the structure of the actuator, it can be applied to the actuator multilevel shape memory.

強誘電体材料の合成条件により電界インプリントが施されたのと同様な状態となる例について説明する。 Strong synthesis conditions of the dielectric material by an example will be described as the same state and the electric field imprint has been performed.

(1)チタン酸鉛薄膜(合成条件1) (1) lead titanate thin film (synthesis conditions 1)
水熱合成法により、チタン酸鉛(PTO)のエピタキシャル薄膜をSrRuO 3基板上に形成した。 By hydrothermal synthesis method to form an epitaxial thin film of lead titanate (PTO) to SrRuO 3 substrate. 反応温度は150℃、反応時間は24時間、原料として、硝酸鉛(Pb(NO 3 ) 2 )2.26g、酸化チタン(TiO 2 )0.393g、10NのKOH水溶液15mlを用いた。 The reaction temperature is 0.99 ° C., the reaction time is 24 hours, as a raw material, lead nitrate (Pb (NO 3) 2) 2.26g, titanium oxide (TiO 2) 0.393 g, was used KOH solution 15ml of 10 N. 得られたPTO薄膜の厚さは100nmであり、さらに、この薄膜上にプラチナ電極を蒸着により形成した。 The thickness of the PTO thin film obtained was 100 nm, further, was formed by depositing a platinum electrode in the thin film.

得られたPTO薄膜の印加電圧に対する分極、誘電率の関係を表すヒステリス曲線を、それぞれ図8、図9に示す。 Polarization for the resulting voltage applied to the PTO film, the hysteresis curve representing the relationship between the dielectric constant, respectively 8, 9.

本実施例のPTO薄膜は、高温下で強電界を付与する処理を施さずとも、左方向にずれたヒステリス曲線を示した。 PTO thin film of this embodiment, without subjected to a treatment for imparting a strong electric field at a high temperature, showed hysteresis curve shifted to the left.

(2)チタン酸鉛薄膜(合成条件2) (2) lead titanate thin film (synthesis conditions 2)
水熱合成法により、チタン酸鉛(PTO)のエピタキシャル薄膜を、SrTiO 3 (STO)(100)単結晶上のエピタキシャルSrRuO 3薄膜上に形成した。 By hydrothermal synthesis method, an epitaxial thin film of lead titanate (PTO), was formed on the SrTiO 3 (STO) (100) on the single crystal epitaxial SrRuO 3 thin film. 反応温度は150℃、反応時間は24時間、原料として、硝酸鉛1.0g、酸化チタン0.2g、10NのKOH水溶液15mlを用いた。 The reaction temperature is 0.99 ° C., the reaction time is 24 hours, were used as the starting material lead nitrate 1.0 g, titanium oxide 0.2 g, a KOH aqueous solution 15ml of 10 N. 得られたPTO薄膜の厚さは430nmであり、さらに、この薄膜上にプラチナ電極を蒸着により形成した。 The resulting thickness of the PTO film is 430 nm, further, was formed by depositing a platinum electrode in the thin film.

得られたPTO薄膜の印加電圧に対する変位、分極、誘電率の関係を表すヒステリス曲線は、それぞれ図10、図11、図12に示すように、上記合成条件(1)の場合よりもさらに左方向にずれたものであった。 Displacement for the resulting voltage applied to the PTO film, polarization, hysteresis curve representing the relationship between the dielectric constant, respectively 10, 11, as shown in FIG. 12, further leftward than the synthesis conditions (1) were those displaced to.

(3)チタン酸ジルコン酸鉛薄膜 水熱合成法により、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のエピタキシャル薄膜を、SrTiO 3 (STO)(100)単結晶上のエピタキシャルSrRuO 3薄膜上に形成した。 (3) by lead zirconate titanate thin film hydrothermal synthesis method, an epitaxial thin film of lead zirconate titanate (PZT), is formed on the SrTiO 3 (STO) (100) on the single crystal epitaxial SrRuO 3 thin film. 反応温度は150℃、反応時間は9時間、原料として、硝酸鉛2.64g、オキシ塩化ジルコニウム八水和物(ZrOCl 4 8H 2 O)0.74g、酸化チタン0.2g、10NのKOH水溶液15mlを用いた。 The reaction temperature is 0.99 ° C., the reaction time is 9 hours, were used as the starting material lead nitrate 2.64 g, zirconium oxychloride octahydrate (ZrOCl 4 8H 2 O) 0.74g , titanium oxide 0.2 g, a KOH aqueous solution 15ml of 10N . 得られたPZT薄膜の厚さは500nmであり、さらに、この薄膜上にプラチナ電極を蒸着により形成した。 The thickness of the PZT thin film obtained was 500 nm, further, was formed by depositing a platinum electrode in the thin film.

得られたPZT薄膜の印加電圧に対する分極の関係を表すヒステリス曲線は、図13に示すように、右方向にずれたものであった。 Hysteresis curve representing the relationship between the polarization against applied voltage PZT thin film obtained, as shown in FIG. 13 were those displaced in the right direction.

以上のように、高温下で強電界を付与する処理を施さずとも、強誘電体材料の合成条件を変えることによって電界インプリントを施したのと同様な状態とし、或いはその程度を制御することができることが確認された。 As described above, even without being subjected to the process of giving a strong electric field at a high temperature, the same state as that subjected to the electric field imprint by changing the synthesis conditions of the ferroelectric material, or to control the extent it has been confirmed that it is possible.

電界インプリントにより圧電歪み、誘電率、屈折率のメモリ機能を付与された強誘電体材料の特性を示す説明図である。 Piezoelectric strain, dielectric constant by the electric field imprint is an explanatory view showing the characteristics of the ferroelectric material of the memory function is imparted refractive index. 電界インプリントにより圧電歪みのメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えた本発明の圧電アクチュエータの動作を示す説明図である。 Is an explanatory view showing an operation of the piezoelectric actuator of the present invention with a ferroelectric material which has been granted a memory function of the piezoelectric strain by the electric field imprint. 実施例1で用いた屈曲型圧電アクチュエータを示す上面図及び側面図である。 It is a top view and a side view illustrating a bending-type piezoelectric actuator used in Example 1. 実施例1における電界インプリント処理2時間の圧電歪みバタフライ曲線を示すグラフである。 Is a graph showing the piezoelectric strain butterfly curve field imprint process 2 hours in Example 1. 実施例1における電界インプリント処理4時間の圧電歪みバタフライ曲線を示すグラフである。 It is a graph showing the piezoelectric strain butterfly curve field imprinting 4 hours in Example 1. 実施例1における電界インプリント処理を逆方向に行った場合の圧電歪みバタフライ曲線を示すグラフである。 Is a graph showing the piezoelectric strain butterfly curve in the case of performing field imprint process in Example 1 in the reverse direction. 実施例1の圧電アクチュエータの駆動を示すグラフである。 Is a graph showing the driving of the piezoelectric actuator of the first embodiment. 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件1)の電圧−分極ヒステリス曲線を示すグラフである。 Voltage of lead titanate thin film of Example 2 (synthesis conditions 1) - is a graph showing a polarization hysteresis curve. 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件1)の電圧−誘電率ヒステリス曲線を示すグラフである。 Voltage of lead titanate thin film of Example 2 (synthesis conditions 1) - is a graph showing the dielectric constant hysteresis curve. 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件2)の電圧−変位ヒステリス曲線を示すグラフである。 Voltage of lead titanate thin film of Example 2 (synthesis conditions 2) - is a graph showing the displacement hysteresis curve. 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件2)の電圧−分極ヒステリス曲線を示すグラフである。 Voltage of lead titanate thin film of Example 2 (synthesis conditions 2) - is a graph showing a polarization hysteresis curve. 実施例2のチタン酸鉛薄膜(合成条件2)の電圧−誘電率ヒステリス曲線を示すグラフである。 Voltage of lead titanate thin film of Example 2 (synthesis conditions 2) - is a graph showing the dielectric constant hysteresis curve. 実施例2のチタン酸ジルコン酸鉛薄膜の電圧−分極ヒステリス曲線を示すグラフである。 Lead zirconate titanate thin film in the voltage of Example 2 - is a graph showing a polarization hysteresis curve.

Claims (5)

  1. 電界インプリントにより圧電歪み、誘電率、屈折率、圧電定数、電気機械結合係数、ヤング率、又は焦電定数のメモリ機能を付与された強誘電体材料を備えたことを特徴とする強誘電体デバイス。 Piezoelectric strain, dielectric constant by the electric field imprint, refractive index, piezoelectric constant, electromechanical coupling coefficient, Young's modulus, or a ferroelectric, characterized in that it comprises a ferroelectric material that has been granted the memory function of the pyroelectric constant device.
  2. 前記強誘電体材料はチタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛のいずれかであることを特徴とする請求項1記載の強誘電体デバイス。 The ferroelectric material is a ferroelectric device according to claim 1, wherein lead zirconate titanate, lead titanate, barium titanate, lithium niobate, that is either lead lanthanum zirconate titanate.
  3. 電圧を印加せずとも所定の2値の圧電歪みを選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする圧電デバイス。 Without application of a voltage comprising a ferroelectric material having a memory function for selectively retaining the piezoelectric strain of the predetermined binary, the memory function may be equal to those granted by the electric field imprint piezoelectric device.
  4. 電圧を印加せずとも所定の2値の誘電率を選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする誘電率検波型強誘電体メモリデバイス。 Without application of a voltage comprising a ferroelectric material having a memory function for selectively retaining the dielectric constant of a given binary, the memory function may be equal to those granted by the electric field imprinting dielectric rate detection type ferroelectric memory device.
  5. 電圧を印加せずとも所定の2値の屈折率を選択的に保持するメモリ機能を有する強誘電体材料を備え、このメモリ機能は電界インプリントにより付与されたものであることを特徴とする電気光学デバイス。 Without application of a voltage comprising a ferroelectric material having a memory function for selectively retaining the refractive index of the predetermined binary, characterized in that the memory function are those imparted by the electric field imprint electric optical device.
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