JP2010030827A - 圧電材料 - Google Patents
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Abstract
Description
A. A. Belik et al.,Chemistry of Materials vol.18,p.798から803(2006) S. M. Choi et al.,Journal of Applied Physics、vol.98,p.034108(2005) A. A. Belik et al.,Chemistry of Materials、vol.18,p.133から139(2006) S. R. Shannigrahi et al.,Applied Physics Letters、vol.90,p.022901(2007)
例えば、BiFeO3は絶縁性の低い圧電材料として知られているが、BiFeO3の絶縁性が低い理由は、以下のように電子論的に説明可能である。Feの3d軌道には、5個の電子が占有されており、残り5個の準位は電子が占有されていない。従って、電子が占有されている軌道のうち最もエネルギーが高い準位(一般にこの準位はフェルミ準位と呼ばれている)は、Feの3d軌道の集合体(バンド、と一般的には呼ばれている)の間に存在する。非特許文献3によると、Feの3dバンドには、電子が占有されている準位と非占有準位との間に約1eVのエネルギーギャップ(バンドギャップ)が存在する。しかしながら、この程度のバンドギャップでは、組成比が僅かにずれたり不純物元素が僅かに入っていたりすることで、フェルミ準位が容易にシフトし有限個の電子が存在するようになる。
本発明に係る圧電材料は、菱面体晶構造を有する、下記一般式(1)で表されるペロブスカイト酸化物からなることを特徴とする。
前記一般式(2)で表される酸化物は、結晶相境界領域を有することが好ましい。
(第1の実施例)
本発明の第1の実施例は、菱面体晶構造を有する、下記一般式(1)で表されるペロブスカイト酸化物からなる圧電材料である。
M(1)は、Mg及びSiとを含む2種類以上の元素を表す。M(1)には、Mg、Si以外の元素としては、例えばTi,Znなどが含有されていてもよい。
上記の組成において、Biイオンは形式電荷が3+、即ちBi3+と記述され、同様にOイオンはO2−と記述される。またM(1)イオンは、Mg1/2Si1/2で形式電荷は3+、即ち(Mg1/2Si1/2)3+と記述する。
第一原理計算とはフィッティングパラメータ等を一切使用しない電子状態計算手法の総称であり、単位格子や分子等を構成する各原子の原子番号と座標を入力するだけで、電子状態計算が可能な手法である。
BiM(1)O3には、最安定な構造以外にも準安定な構造が存在する。これら2つの構造が例えば正方晶(tetragonal:tetra)および菱面体晶(rhombohedral:rhombo)であるとする。それぞれの安定構造を求めるには、然るべき正方晶構造及び菱面体晶構造のBiM(1)O3をそれぞれ初期構造として用意し、構造最適化を含む電子状態計算を行えばよい。係る電子状態計算から求めた安定構造における全エネルギーを、それぞれEtetra及びErhomboと定義する。全エネルギーの小さな方が最安定構造、他方が準安定構造であると結論出来る。
例えばセラミックスの場合は、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、及び珪砂(SiO2を主とする石英砂)を1:1:1のモル比で調整し、酸性水溶液に加え、加熱下、懸濁、溶解させた後、アルカリ処理して析出物をろ過、採取、乾燥し、BiMg1/2Si1/2O3を合成する。
本発明の第2の実施例は、互いに異なる結晶相を持つ二つのペロブスカイト酸化物のA(1)M(1)O3とA(2)M(2)O3とを固溶させて得られた、下記一般式(2)で表される酸化物からなる圧電材料である。
A(2)およびM(2)は、それぞれ1種類以上の元素により混晶されている元素を表す。Xは0<X<1を表す。
菱面体晶A(1)M(1)O3がBiMg1/2Si1/2O3の場合、上記一般式(2)で表される酸化物は、下記のような一般式(3)で表される酸化物となる。
A(2)M(2)O3は、擬立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶などのうち少なくとも1つの構造をとる非菱面体晶の酸化物である。
また、M(2)の構成元素についても、特に制限はないが、絶縁性の高い圧電材料を得るためには、イオン状態での形式電荷がd0またはd10であることが望ましい。M(2)としては、例えばTiの元素が挙げられる。
Bi(Mg1/2Si1/2)O3−BiCoO3、
Bi(Mg1/2Si1/2)O3−BaTiO3、
Bi(Mg1/2Si1/2)O3−Ba(Cu1/3Nb2/3)O3、
Bi(Mg1/2Si1/2)O3−PbTiO3、
等である。但し、右側に表記した酸化物は、非菱面体晶構造をとるものである。
(1−X){Bi(Mg1/2Si1/2)O3}−X{BiCoO3}セラミックス
(A(2)=Bi、B(2)=Coの例)
酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化マグネシウム(MgO)、及び珪砂(SiO2を主とする石英砂)を1:1:1のモル比で調整する。これを酸性水溶液に加熱し、懸濁、溶解させた後アルカリ処理により析出物をろ過、採取、乾燥し、Bi(Mg1/2Si1/2)O3を合成する。
(1−X){Bi(Mg1/2Si1/2)O3}−X{BiCoO3}薄膜
(A(2)=Bi、B(2)=Coの例)
スパッタ装置による成膜の場合、O2ガス及びArガスが流入しているチャンバー内に、Bi、Mg、Si及びCoの金属ホルダーを用意し、それらのホルダー上にイオン源となるArビームを照射する。所望とする元素組成が得られるように成膜条件を設定し、Arビームにより叩き出された各金属をチャンバー内に備えた基板上に飛翔させることにより、目的とする圧電体膜を形成することが出来る。
Claims (3)
- 前記一般式(2)で表される酸化物は、結晶相境界領域を有することを特徴とする請求項2に記載の圧電材料。
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