JP2021158206A - Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, and piezoelectric transducer - Google Patents
Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, and piezoelectric transducer Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021158206A JP2021158206A JP2020056476A JP2020056476A JP2021158206A JP 2021158206 A JP2021158206 A JP 2021158206A JP 2020056476 A JP2020056476 A JP 2020056476A JP 2020056476 A JP2020056476 A JP 2020056476A JP 2021158206 A JP2021158206 A JP 2021158206A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- piezoelectric thin
- crystal
- piezoelectric
- plane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 353
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 423
- RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N copper;5,10,15,20-tetraphenylporphyrin-22,24-diide Chemical compound [Cu+2].C1=CC(C(=C2C=CC([N-]2)=C(C=2C=CC=CC=2)C=2C=CC(N=2)=C(C=2C=CC=CC=2)C2=CC=C3[N-]2)C=2C=CC=CC=2)=NC1=C3C1=CC=CC=C1 RKTYLMNFRDHKIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 228
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 100
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 56
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 37
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910004121 SrRuO Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 241000877463 Lanio Species 0.000 claims description 10
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 10
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 83
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 51
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 48
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 22
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 18
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 12
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 11
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 9
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 9
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 8
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910018921 CoO 3 Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 7
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 7
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 6
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 6
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 6
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 6
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 6
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 6
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 230000005621 ferroelectricity Effects 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 3
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- QJWDYDSKKWMXSO-UHFFFAOYSA-N lanthanum Chemical compound [La].[La] QJWDYDSKKWMXSO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N terbium atom Chemical compound [Tb] GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002902 BiFeO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910019606 La0.5Sr0.5CoO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052765 Lutetium Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical group [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052773 Promethium Inorganic materials 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000416 bismuth oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N dibismuth;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Bi+3].[Bi+3] TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- KBQHZAAAGSGFKK-UHFFFAOYSA-N dysprosium atom Chemical compound [Dy] KBQHZAAAGSGFKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000004993 emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OHSVLFRHMCKCQY-UHFFFAOYSA-N lutetium atom Chemical compound [Lu] OHSVLFRHMCKCQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- VQMWBBYLQSCNPO-UHFFFAOYSA-N promethium atom Chemical compound [Pm] VQMWBBYLQSCNPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- KZUNJOHGWZRPMI-UHFFFAOYSA-N samarium atom Chemical compound [Sm] KZUNJOHGWZRPMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FRNOGLGSGLTDKL-UHFFFAOYSA-N thulium atom Chemical compound [Tm] FRNOGLGSGLTDKL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
本発明は、圧電薄膜、圧電薄膜素子及び圧電トランデューサに関する。 The present invention relates to piezoelectric thin films, piezoelectric thin film devices and piezoelectric transducers.
圧電体は、種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工される。例えば、圧電アクチュエータは、圧電体に電圧を加えて圧電体を変形させる逆圧電効果により、電圧を力に変換する。また圧電センサは、圧電体に圧力を加えて圧電体を変形させる圧電効果により、力を電圧に変換する。これらの圧電素子は、様々な電子機器に搭載される。 Piezoelectric bodies are processed into various piezoelectric elements for various purposes. For example, a piezoelectric actuator converts a voltage into a force by an inverse piezoelectric effect that applies a voltage to the piezoelectric body to deform the piezoelectric body. In addition, the piezoelectric sensor converts force into voltage by the piezoelectric effect of applying pressure to the piezoelectric body to deform the piezoelectric body. These piezoelectric elements are mounted on various electronic devices.
近年の市場では、電子機器の小型化及び性能の向上が要求されるため、圧電薄膜を用いた圧電素子(圧電薄膜素子)が盛んに研究されている。しかしながら、圧電体が薄いほど、圧電効果及び逆圧電効果が得られ難いため、薄膜の状態において優れた圧電性を有する圧電体の開発が期待されている。 In the recent market, since miniaturization of electronic devices and improvement of performance are required, piezoelectric elements using piezoelectric thin films (piezoelectric thin film elements) have been actively studied. However, the thinner the piezoelectric body, the more difficult it is to obtain the piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect. Therefore, the development of a piezoelectric body having excellent piezoelectricity in the state of a thin film is expected.
従来、圧電体として、ペロブスカイト型強誘電体であるジルコン酸チタン酸鉛(いわゆるPZT)が多用されてきた。しかしながら、PZTは、人体や環境を害する鉛を含むため、PZTの代替として、無鉛(Lead‐free)の圧電体の開発が期待されている。例えば、非特許文献1には、無鉛の圧電体の一例として、BiFeO3が記載されている。BiFeO3は、無鉛の圧電体の中でも比較的優れた圧電性を有し、圧電薄膜素子への応用が特に期待されている。
Conventionally, lead zirconate titanate (so-called PZT), which is a perovskite-type ferroelectric substance, has been widely used as a piezoelectric material. However, since PZT contains lead that is harmful to the human body and the environment, the development of lead-free (Lead-free) piezoelectric material is expected as an alternative to PZT. For example, Non-Patent
(−e31,f)2/ε0εrは、圧電薄膜の圧電性を示す圧電性能指数である。−e31,fは圧電定数の一種であり、−e31,fの単位はC/m2である。ε0は真空の誘電率であり、ε0の単位は、F/mである。εrは圧電薄膜の比誘電率であり、εrの単位はない。(−e31,f)2/ε0εrの単位は、Paである。大きい圧電性能指数を有する圧電薄膜は、圧電トランスデューサ等の圧電薄膜素子に適している。 ( −E 31, f ) 2 / ε 0 ε r is a piezoelectric figure of merit indicating the piezoelectricity of the piezoelectric thin film. -E 31, f is a kind of piezoelectric constant, and the unit of -e 31, f is C / m 2 . ε 0 is the permittivity of vacuum, and the unit of ε 0 is F / m. ε r is the relative permittivity of the piezoelectric thin film, and there is no unit of ε r. The unit of (-e 31, f ) 2 / ε 0 ε r is Pa. A piezoelectric thin film having a large piezoelectric figure of merit is suitable for a piezoelectric thin film element such as a piezoelectric transducer.
本発明の目的は、大きい圧電性能指数を有する圧電薄膜、当該圧電薄膜を備える圧電薄膜素子及び圧電トランデューサを提供することである。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric thin film having a large piezoelectric figure of merit, a piezoelectric thin film element including the piezoelectric thin film, and a piezoelectric transducer.
本発明の一側面に係る圧電薄膜は、ペロブスカイト構造を有する酸化物を含む圧電薄膜であり、圧電薄膜は、上記酸化物の正方晶1、及び上記酸化物の正方晶2を含み、正方晶1の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において配向しており、正方晶2の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において配向しており、正方晶1の(001)面の間隔は、c1であり、正方晶1の(100)面の間隔は、a1であり、正方晶2の(001)面の間隔は、c2であり、正方晶2の(100)面の間隔は、a2であり、c2/a2は、c1/a1よりも大きく、正方晶1の(001)面の回折X線のピーク強度は、I1であり、正方晶2の(001)面の回折X線のピーク強度は、I2であり、I2/(I1+I2)は、0.50以上0.90以下である。
The piezoelectric thin film according to one aspect of the present invention is a piezoelectric thin film containing an oxide having a perobskite structure, and the piezoelectric thin film contains a
c2−c1は、0.100Åよりも大きく0.490Å以下であってよい。 c2-c1 may be greater than 0.100 Å and less than 0.490 Å.
c1/a1は、1.030以上1.145以下であってよく、c2/a2は、1.085以上1.195以下であってよい。 c1 / a1 may be 1.030 or more and 1.145 or less, and c2 / a2 may be 1.085 or more and 1.195 or less.
上記酸化物は、下記化学式1で表されてよく、下記化学式1中のEAは、Na、K及びAgからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよく、下記化学式1中のEBは、Mg、Al、Ti、Ni及びZnからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよく、下記化学式1中のxは、0.30以上0.80以下であってよく、下記化学式1中のαは、0.00以上1.00未満であってよい。
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The oxide may be represented by the following
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
本発明の一側面に係る圧電薄膜は、エピタキシャル膜であってよい。 The piezoelectric thin film according to one aspect of the present invention may be an epitaxial film.
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、上記圧電薄膜を備える。 The piezoelectric thin film device according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned piezoelectric thin film.
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる上記圧電薄膜と、を備えてよい。 The piezoelectric thin film element according to one aspect of the present invention may include a single crystal substrate and the piezoelectric thin film that overlaps the single crystal substrate.
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる電極層と、電極層に重なる上記圧電薄膜と、を備えてよい。 The piezoelectric thin film element according to one aspect of the present invention may include a single crystal substrate, an electrode layer overlapping the single crystal substrate, and the piezoelectric thin film overlapping the electrode layer.
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、電極層と、電極層に重なる上記圧電薄膜と、を備えてよい。 The piezoelectric thin film element according to one aspect of the present invention may include an electrode layer and the piezoelectric thin film that overlaps the electrode layer.
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、第一中間層を更に備えてよく、第一中間層は、単結晶基板と電極層との間に配置されていてよい。 The piezoelectric thin film device according to one aspect of the present invention may further include a first intermediate layer, and the first intermediate layer may be arranged between the single crystal substrate and the electrode layer.
第一中間層は、ZrO2及びY2O3を含んでよい。 The first intermediate layer may contain ZrO 2 and Y 2 O 3.
本発明の一側面に係る圧電薄膜素子は、第二中間層を更に備えてよく、第二中間層は、電極層と上記圧電薄膜との間に配置されていてよい。 The piezoelectric thin film device according to one aspect of the present invention may further include a second intermediate layer, and the second intermediate layer may be arranged between the electrode layer and the piezoelectric thin film.
第二中間層は、SrRuO3及びLaNiO3のうち少なくともいずれかを含んでよい。 The second intermediate layer may contain at least one of SrRuO 3 and LaNiO 3.
上記電極層は、白金の結晶を含んでよく、白金の結晶の(002)面は、電極層の表面の法線方向において配向してよく、白金の結晶の(200)面は、電極層の表面の面内方向において配向していてよい。 The electrode layer may contain a platinum crystal, the (002) plane of the platinum crystal may be oriented in the normal direction of the surface of the electrode layer, and the (200) plane of the platinum crystal may be the electrode layer. It may be oriented in the in-plane direction of the surface.
本発明の一側面に係る圧電トランデューサは、上記圧電薄膜を備える。 The piezoelectric transducer according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned piezoelectric thin film.
本発明の一側面に係る圧電トランデューサは、上記圧電薄膜素子を含む。 The piezoelectric transducer according to one aspect of the present invention includes the above-mentioned piezoelectric thin film element.
本発明によれば、大きい圧電性能指数を有する圧電薄膜、当該圧電薄膜を備える圧電薄膜素子及び圧電トランデューサが提供される。 According to the present invention, a piezoelectric thin film having a large piezoelectric figure of merit, a piezoelectric thin film element including the piezoelectric thin film, and a piezoelectric transducer are provided.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態の詳細が説明される。ただし、本発明は下記実施形態に限定されない。図面において、同一又は同等の要素は、同一の符号が付される。図1中の(a)、図1中の(b)及び図4に示されるX軸,Y軸及びZ軸は、互いに直交する三つの座標軸である。三つの座標軸其々の方向は、図1中の(a)、図1中の(b)及び図4に共通する。 Hereinafter, the details of one preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the drawings, the same or equivalent elements are labeled with the same reference numerals. (A) in FIG. 1, (b) in FIG. 1, and the X-axis, Y-axis, and Z-axis shown in FIG. 4 are three coordinate axes orthogonal to each other. The directions of the three coordinate axes are common to (a) in FIG. 1, (b) in FIG. 1, and FIG.
(圧電薄膜及び圧電薄膜素子)
本実施形態に係る圧電薄膜素子は、圧電薄膜を備える。図1中の(a)は、本実施形態に係る圧電薄膜素子10の断面を示す。この圧電薄膜素子10の断面は、圧電薄膜3の表面に垂直である。圧電薄膜素子10は、単結晶基板1と、単結晶基板1に重なる第一電極層2(下部電極層)と、第一電極層2に重なる圧電薄膜3と、圧電薄膜3に重なる第二電極層4(上部電極層)と、を備えてよい。圧電薄膜素子10は第一中間層5を更に備えてよい。第一中間層5は単結晶基板1と第一電極層2との間に配置されてよく、第一電極層2は第一中間層5の表面に直接重なっていてよい。圧電薄膜素子10は第二中間層6を備えてよい。第二中間層6が第一電極層2と圧電薄膜3の間に配置されてよく、圧電薄膜3は第二中間層6の表面に直接重なっていてよい。単結晶基板1、第一中間層5、第一電極層2、第二中間層6、圧電薄膜3及び第二電極層4其々の厚みは均一であってよい。図1中の(b)に示されるように、圧電薄膜3の表面の法線方向dnは、単結晶基板1の表面の法線方向DNと略平行であってよい。図1中の(b)では、第一電極層、第一中間層、第二中間層及び第二電極層が省略されている。
(Piezoelectric thin film and piezoelectric thin film element)
The piezoelectric thin film device according to the present embodiment includes a piezoelectric thin film. FIG. 1A shows a cross section of the piezoelectric
圧電薄膜素子10の変形例は、単結晶基板1を備えなくてよい。例えば、第一電極層2及び圧電薄膜3の形成後、単結晶基板1が除去されてよい。圧電薄膜素子10の変形例は、第二電極層4を備えなくてもよい。例えば、第二電極層を備えない圧電薄膜素子が、製品として、電子機器の製造業者に供給された後、電子機器の製造過程において、第二電極層が圧電薄膜素子に付加されてよい。単結晶基板1が電極として機能する場合、圧電薄膜素子10の変形例は、第一電極層2を備えなくてもよい。つまり圧電薄膜素子10の変形例は、単結晶基板1と、単結晶基板1に重なる圧電薄膜3と、を備えてよい。第一電極層2がない場合、圧電薄膜3は単結晶基板1に直接重なっていてよい。第一電極層2がない場合、圧電薄膜3が、第一中間層5及び第二中間層6のうち少なくとも一つの中間層を介して単結晶基板1に重なっていてもよい。
The modified example of the piezoelectric
圧電薄膜3は、ペロブスカイト(perovskite)構造を有する酸化物を含む。つまり、圧電薄膜3に含まれる少なくとも一部の酸化物は、ペロブスカイト構造を有する結晶である。圧電薄膜3に含まれる全ての酸化物が、ペロブスカイト構造を有する結晶であってよい。場合により、ペロブスカイト構造を有する酸化物は、「ペロブスカイト型酸化物」と表記される。ペロブスカイト型酸化物は、圧電薄膜3の主成分である。圧電薄膜3全体に対するペロブスカイト型酸化物の割合は、99%モル以上100モル%以下であってよい。圧電薄膜3は、ペロブスカイト型酸化物のみからなっていてよい。
The piezoelectric
図2は、ペロブスカイト型酸化物の単位胞ucを示している。単位胞ucのAサイトに位置する元素は、Bi又はEAであってよい。単位胞ucのBサイトに位置する元素は、Fe又はEBであってよい。元素EA及び元素EB其々の具体例は、後述される。図2中のa、b及びc其々は、ペロブスカイト構造の基本ベクトルである。a、b及びcは、互いに垂直である。ベクトルaの方位は、[100]である。ベクトルbの方位は、[010]である。ベクトルcの方位は、[001]である。ベクトルaの長さaは、ペロブスカイト型酸化物の(100)面の間隔である。換言すれば、ベクトルaの長さaは、ペロブスカイト型酸化物の[100]方向における格子定数である。ベクトルbの長さbは、ペロブスカイト型酸化物の(010)面の間隔である。換言すれば、ベクトルbの長さbは、ペロブスカイト型酸化物の[010]方向における格子定数である。ベクトルcの長さcは、ペロブスカイト型酸化物の(001)面の間隔である。換言すれば、ベクトルcの長さcは、ペロブスカイト型酸化物の[001]方向における格子定数である。 FIG. 2 shows a unit cell uc of a perovskite-type oxide. Element positioned at the A site of the unit cell uc may be a Bi or E A. Element positioned at unit cell uc B site can be a Fe or E B. Specific examples of each of the element E A and the element E B will be described later. Each of a, b and c in FIG. 2 is a basic vector of the perovskite structure. a, b and c are perpendicular to each other. The orientation of the vector a is [100]. The orientation of the vector b is [010]. The orientation of the vector c is [001]. The length a of the vector a is the spacing between the (100) planes of the perovskite oxide. In other words, the length a of the vector a is the lattice constant of the perovskite-type oxide in the [100] direction. The length b of the vector b is the spacing between the (010) planes of the perovskite oxide. In other words, the length b of the vector b is the lattice constant of the perovskite oxide in the [010] direction. The length c of the vector c is the spacing between the (001) planes of the perovskite oxide. In other words, the length c of the vector c is the lattice constant of the perovskite-type oxide in the [001] direction.
圧電薄膜3は、ペロブスカイト型酸化物の正方晶(tetragonal crystal)1、及びペロブスカイト型酸化物の正方晶2を含む。図3は、正方晶1の単位胞uc1及び正方晶2の単位胞uc2を示している。図示の便宜上、単位胞uc1及び単位胞uc2中のEB及びO(酸素)は省略されているが、単位胞uc1及び単位胞uc2其々は、図2中の単位胞ucと同様のペロブスカイト構造を有している。
The piezoelectric
図3中のa1、b1及びc1其々は、正方晶1の基本ベクトルである。図3中のベクトルa1は、図2中のベクトルaに対応する。図3中のベクトルb1は、図2中のベクトルbに対応する。図3中のベクトルc1は、図2中のベクトルcに対応する。a1、b1及びc1は、互いに垂直である。ベクトルa1の方位は、[100]である。ベクトルb1の方位は、[010]である。ベクトルc1の方位は、[001]である。ベクトルa1の長さa1は、正方晶1の(100)面の間隔である。換言すれば、ベクトルa1の長さa1は、正方晶1の[100]方向における格子定数である。ベクトルb1の長さb1は、正方晶1の(010)面の間隔である。換言すれば、ベクトルb1の長さb1は、正方晶1の[010]方向における格子定数である。ベクトルc1の長さc1は、正方晶1の(001)面の間隔である。換言すれば、ベクトルc1の長さc1は、正方晶1の[001]方向における格子定数である。a1は、b1と等しい。c1は、a1よりも大きい。
Each of a1, b1 and c1 in FIG. 3 is a basic vector of
図3中のa2、b2及びc2其々は、正方晶2の基本ベクトルである。図3中のベクトルa2は、図2中のベクトルaに対応する。図3中のベクトルb2は、図2中のベクトルbに対応する。図3中のベクトルc2は、図2中のベクトルcに対応する。a2、b2及びc2は、互いに垂直である。ベクトルa2の方位は、[100]である。ベクトルb2の方位は、[010]である。ベクトルc2の方位は、[001]である。ベクトルa2の長さa2は、正方晶2の(100)面の間隔である。換言すれば、ベクトルa2の長さa2は、正方晶2の[100]方向における格子定数である。ベクトルb2の長さb2は、正方晶2の(010)面の間隔である。換言すれば、ベクトルb2の長さb2は、正方晶2の[010]方向における格子定数である。ベクトルc2の長さc2は、正方晶2の(001)面の間隔である。換言すれば、ベクトルc2の長さc2は、正方晶2の[001]方向における格子定数である。a2は、b2と等しい。c2は、a2よりも大きい。
Each of a2, b2 and c2 in FIG. 3 is a basic vector of
図1中の(b)及び図3に示されるように、正方晶1(uc1)の(001)面は、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向している。正方晶2(uc2)の(001)面も、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向している。例えば、正方晶1の(001)面及び正方晶2の(001)面其々が、圧電薄膜3の表面に略平行であってよく、正方晶1及び正方晶2其々[001]方向が、圧電薄膜3の表面の法線方向dnと略平行であってよい。圧電薄膜3の表面の法線方向dnは、単結晶基板1の表面の法線方向DNと略平行であってよい。したがって、正方晶1の(001)面は、単結晶基板1の表面の法線方向DNにおいて配向してよい。正方晶2の(001)面も、単結晶基板1の表面の法線方向DNにおいて配向してよい。換言すれば、正方晶1の(001)面及び正方晶2の(001)面其々が、単結晶基板1の表面に略平行であってよく、正方晶1及び正方晶2其々[001]方向が、単結晶基板1の表面の法線方向DNと略平行であってよい。
As shown in (b) and FIG. 3 in FIG. 1, the (001) plane of the tetragonal crystal 1 (uc1) is oriented in the normal direction dn of the surface of the piezoelectric
ペロブスカイト型酸化物は、[001]方向において分極され易い。つまり[001]は、他の結晶方位に比べて、ペロブスカイト型酸化物が分極され易い方位である。したがって、正方晶1の(001)面及び正方晶2の(001)面其々が、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向することにより、圧電薄膜3は優れた圧電性を有することができる。同様の理由から、圧電薄膜3は、強誘電体(ferroelectric)であってよい。以下に記載の結晶配向性とは、正方晶1の(001)面及び正方晶2の(001)面其々が、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向していることを意味する。
Perovskite-type oxides are easily polarized in the [001] direction. That is, [001] is an orientation in which the perovskite-type oxide is more easily polarized than other crystal orientations. Therefore, the (001) plane of the
圧電薄膜3が、上記の結晶配向性を有することにより、圧電薄膜3は、大きい(−e31,f)2/ε0εr(圧電性能指数)を有することができる。上記の結晶配向性は薄膜に固有の特徴である。薄膜とは、気相成長法又は溶液法によって形成される結晶質の膜である。一方、圧電薄膜3と同じ組成を有する圧電体のバルクは上記の結晶配向性を有することは困難である。圧電体のバルクは、圧電体の必須元素を含む粉末の焼結体(セラミックス)であり、焼結体を構成する多数の結晶の構造及び配向性を制御することが困難であるからである。圧電体のバルクがFeを含むことに起因して、圧電体のバルクの比抵抗率は圧電薄膜3に比べて低い。その結果、リーク電流が圧電体のバルクにおいて発生し易い。したがって、高い電界の印加によって圧電体のバルクを分極させることは困難であり、圧電体のバルクが大きい圧電性能指数を有することは困難である。
Since the piezoelectric
c2/a2は、c1/a1よりも大きい。つまり、正方晶2の異方性は、正方晶1の異方性よりも高い。
c2 / a2 is larger than c1 / a1. That is, the anisotropy of
c2/a2はc1/a1よりも大きいので、正方晶2は正方晶1よりも強誘電性に優れている。しかしc2/a2はc1/a1よりも大きいので、正方晶2の結晶構造は正方晶1の結晶構造よりも強固である。つまり、正方晶2中の原子は正方晶1中の原子よりも動き難い。したがって、正方晶2の分極反転は正方晶1の分極反転よりも起き難い。一方、c1/a1はc2/a2よりも小さいので、正方晶1は正方晶2よりも強誘電性に劣る。しかしc1/a1はc2/a2よりも小さいので、正方晶1の結晶構造は正方晶2の結晶構造よりも柔らかい。つまり、正方晶1中の原子は正方晶2中の原子よりも動き易い。したがって、正方晶1の分極反転は正方晶2の分極反転よりも起き易い。以上のように、強誘電性に優れた正方晶2と、分極が反転し易い正方晶1が、圧電薄膜3中に共存することにより、圧電薄膜3の−e31,fが増加し、圧電薄膜3の(−e31,f)2/ε0εr(圧電性能指数)が増加する。
Since c2 / a2 is larger than c1 / a1, the
圧電薄膜3とは対照的に、圧電体のバルクでは、応力に起因する結晶構造の歪みが起き難い。したがって、圧電体のバルクを構成する大多数のペロブスカイト型酸化物は立方晶であり、圧電体のバルクがペロブスカイト型酸化物の正方晶に起因する圧電性を有することは困難である。
In contrast to the piezoelectric
c2−c1は、0.100Åよりも大きく0.490Å以下、好ましくは0.101Å以上0.419Å以以下であってよい。c2−c1が上記範囲内である場合、正方晶1及び正方晶2の共存に起因して圧電薄膜3の圧電性能指数が増加し易い。c2−c1が0.100Å以下である場合、X線回折測定装置の分解能に因り、正方晶1及び正方晶2を識別することは容易でない。
c2-c1 may be larger than 0.100 Å and 0.490 Å or less, preferably 0.101 Å or more and 0.419 Å or less. When c2-c1 is within the above range, the piezoelectric figure of merit of the piezoelectric
c1/a1は、1.010以上1.145以下であってよい。c2/a2は、1.085以上1.200以下であってよい。c1/a1が上記の範囲内であり、且つc2/a2が上記の範囲内である場合、正方晶2は正方晶1よりも優れた強誘電性を有し易く、正方晶1の分極反転は正方晶2の分極反転よりも起き易い。換言すれば、c1/a1が上記の範囲内であり、且つc2/a2が上記の範囲内である場合、正方晶1及び正方晶2の共存に起因して圧電薄膜3の圧電性能指数が増加し易い。同様の理由から、c1/a1は、1.030以上1.145以下であってよく、c2/a2は、1.085以上1.195以下であってよい。同様の理由から、c1/a1は、1.034以上1.143以下であってよく、c2/a2は、1.085以上1.194以下であってよい。
c1 / a1 may be 1.010 or more and 1.145 or less. c2 / a2 may be 1.085 or more and 1.200 or less. When c1 / a1 is within the above range and c2 / a2 is within the above range, the
c2−c1が0.100Åよりも大きく、且つc2/a2がc1/a1よりも大きい限りにおいて、a1、c1、a2及びc2其々の値は限定されない。a1は、例えば、3.800Å以上3.950Å以下であってよい。c1は、例えば、4.052Å以上4.342Å以下であってよい。a2は、例えば、3.760Å以上3.930Å以下であってよい。c2は、例えば、4.177Å以上4.490Å以下であってよい。 As long as c2-c1 is larger than 0.100 Å and c2 / a2 is larger than c1 / a1, the values of a1, c1, a2 and c2 are not limited. a1 may be, for example, 3.800 Å or more and 3.950 Å or less. c1 may be, for example, 4.052 Å or more and 4.342 Å or less. a2 may be, for example, 3.760 Å or more and 3.930 Å or less. c2 may be, for example, 4.177 Å or more and 4.490 Å or less.
I2/(I1+I2)は、0.50以上0.90以下である。I1は、正方晶1の(001)面の回折X線のピーク強度である。つまり、正方晶1の(001)面の回折X線の最大値である。I2は、正方晶2の(001)面の回折X線のピーク強度である。つまり、I2は、正方晶2の(001)面の回折X線の最大値である。I1及びI2其々の単位は、例えば、cps(cоunts per secоnd)であってよい。I1及びI2其々がバックグラウンド強度に対して少なくとも3桁以上高くなるように、I1及びI2其々の測定条件が設定されてよい。つまり、I1及びI2其々の測定において、バッグラウンド補正が行われてよい。
I 2 / (I 1 + I 2 ) is 0.50 or more and 0.90 or less. I 1 is the peak intensity of the diffracted X-rays on the (001) plane of the
I1は、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向している正方晶1の(001)面の総面積に比例してよく、I2は、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向している正方晶2の(001)面の総面積に比例してよい。換言すれば、I1は、圧電薄膜3に含まれる正方晶1の量に比例してよく、I2は、圧電薄膜3に含まれる正方晶2の量に比例してよい。したがって、I2/(I1+I2)は、正方晶1及び正方晶2の合計量に対する正方晶2の存在比であってよい。つまり、正方晶1及び正方晶2の合計量に対する正方晶2の存在比は、50%以上90%以下であってよい。
I 1 may be proportional to the total area of the (001) plane of the
正方晶1及び正方晶2の共存に起因する上記効果(大きい圧電性能指数)は、I2/(I1+I2)が0.50以上0.90以下である範囲内において得られる。I2/(I1+I2)が0.50未満である場合、圧電薄膜の(−e31,f)2/ε0εrが著しく小さい。I2/(I1+I2)が0.90より大きい場合も、圧電薄膜の(−e31,f)2/ε0εrが著しく小さい。圧電薄膜3が大きい圧電性能指数を有し易いことから、I2/(I1+I2)は0.50以上0.85以下であってよい。
The above effect (large piezoelectric figure of merit) due to the coexistence of
正方晶1及び正方晶2は、逆格子空間マッピング(reciprocal space mapping)によって特定される。つまり、正方晶1及び正方晶2は、ペロブスカイト型酸化物(圧電薄膜3)の回折X線の逆格子空間マップにおいて検出され、互いに識別される。ペロブスカイト型酸化物の回折X線の逆格子空間マップは、逆格子空間におけるペロブスカイト型酸化物の回折X線の強度の分布図と言い換えられてよい。例えば、逆格子空間マップは、ω軸、φ軸、χ軸、2θ軸、及び2θχ軸からなる群より選ばれる二つ以上の走査軸に沿って、ペロブスカイト型酸化物の回折X線の強度を測定することによって得られてよい。例えば、逆格子空間マップは、直交する横軸及び縦軸から構成される座標系における二次元のマップであってよい。二次元の逆格子空間マップの横軸は、圧電薄膜3の表面の面内(In‐plane)方向におけるペロブスカイト型酸化物の格子定数の逆数を示してよい。換言すれば、逆格子空間マップの横軸は、ペロブスカイト型酸化物の(100)面の間隔aの逆数(つまり1/a)を示してよい。二次元の逆格子空間マップの縦軸は、圧電薄膜3の表面の法線方向dn(又はOut‐оf‐Plane方向)におけるペロブスカイト型酸化物の格子定数の逆数を示してよい。換言すれば、逆格子空間マップの縦軸は、ペロブスカイト型酸化物の(001)面の間隔cの逆数(つまり1/c)を示してよい。圧電薄膜3が正方晶1及び正方晶2を含む場合、少なくとも二つのスポットが逆格子空間マップ内に存在する。二つのスポットのうち一方のスポットは、正方晶1の結晶面の回折X線に対応してよく、二つのスポットのうち他方のスポットは、正方晶2の結晶面の回折X線に対応してよい。例えば、二つのスポットのうち一方のスポットは、正方晶1の(204)面の回折X線に対応してよく、二つのスポットのうち他方のスポットは、正方晶2の(204)面の回折X線に対応してよい。正方晶1の結晶面の回折X線に対応する一つのスポットの座標から、正方晶1の(100)面の間隔a1、及び正方晶1の(001)面の間隔c1を特定することができる。正方晶2の結晶面の回折X線に対応する一つのスポットの座標から、正方晶2の(100)面の間隔a2、及び正方晶1の(001)面の間隔c2を特定することができる。逆格子空間マップは、正方晶1及び正方晶2に由来する二つのスポットに加えて、更に別のスポットを含んでよい。例えば、第一電極層2(下地電極層)を構成する金属の結晶に由来するスポットが逆格子空間マップ内に存在してよい。
Tetragonal 1 and tetragonal 2 are identified by reciprocal space mapping. That is, the
正方晶1の(001)面及び正方晶2の(001)面其々の配向の程度は、配向度によって定量化されてよい。正方晶1の(001)面及び正方晶2の(001)面其々の配向度が大きいほど、圧電薄膜3は大きい圧電性能指数を有し易い。各結晶面の配向度は、各結晶面に由来する回折X線のピークに基づいて算出されてよい。各結晶面に由来する回折X線のピークは、圧電薄膜3の表面におけるOut‐оf‐Plane測定によって測定されてよい。圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおける正方晶1の(001)面の配向度は、100×I1/ΣI1(hkl)と表されてよい。ΣI1(hkl)は、圧電薄膜3の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される正方晶1の各結晶面の回折X線のピーク強度の総和である。ΣI1(hkl)は、例えば、I1(001)+I1(110)+I1(111)であってよい。I1(001)は、上述のI1である。つまりI1(001)は、圧電薄膜3の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される正方晶1の(001)面の回折X線のピーク強度(最大値)である。I1(110)は、圧電薄膜3の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される正方晶1の(110)面の回折X線のピーク強度(最大値)である。I1(111)は、圧電薄膜3の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される正方晶1の(111)面の回折X線のピーク強度(最大値)である。正方晶2の(001)面の配向度は、100×I2/ΣI2(hkl)と表されてよい。ΣI2(hkl)は、圧電薄膜3の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される正方晶2の各結晶面の回折X線のピーク強度の総和である。ΣI2(hkl)は、例えば、I2(001)+I2(110)+I2(111)であってよい。I2(001)は、上述のI2である。つまりI2(001)は、圧電薄膜3の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される正方晶2の(001)面の回折X線のピーク強度(最大値)である。I2(110)は、圧電薄膜3の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される正方晶2の(110)面の回折X線のピーク強度(最大値)である。I2(111)は、圧電薄膜3の表面のOut‐оf‐Plane方向において測定される正方晶2の(111)面の回折X線のピーク強度(最大値)である。正方晶1の(001)面及び正方晶2の(001)面其々の配向の程度は、ロットゲーリング(Lotgering)法に基づく配向度Fによって定量化されてもよい。上記のいずれの方法で配向度が算出される場合であっても、正方晶1の(001)面及び正方晶2の(001)面其々の配向度は、70%以上100%以下、好ましくは80%以上100%以下、より好ましくは90%以上100%以下であってよい。換言すれば、正方晶1の(001)面は、正方晶1の他の結晶面に優先して、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向してよい。正方晶2の(001)面も、正方晶2の他の結晶面に優先して、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向してよい。
The degree of orientation of the (001) plane of
圧電薄膜3は、正方晶1及び正方晶2のみからなっていてよい。圧電薄膜3が大きい圧電性能指数を有する限りにおいて、圧電薄膜3は、正方晶1及び正方晶2に加えて、立方晶(cubic crystal)及び菱面体晶(rhombohedral crystal)からなる群より選ばれる少なくとも一種のペロブスカイト型酸化物の結晶を更に含んでよい。
The piezoelectric
圧電薄膜3に含まれるペロブスカイト型酸化物は、少なくともビスマス(Bi)、元素EB、鉄(Fe)及酸素(O)を含んでよい。EBは、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)及び亜鉛(Zn)からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素あってよい。圧電薄膜3に含まれるペロブスカイト型酸化物は、上記元素に加えて元素EAを更に含んでよい。EAは、ナトリウム(Na)、カリウム(K)及び銀(Ag)からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。ペロブスカイト型酸化物が上記の元素から構成される場合、正方晶1及び正方晶2が圧電薄膜3中に共存し易く、正方晶1及び正方晶2が上記の結晶配向性を有し易く、c2−c1、c1/a1及びc2/a2其々が上記の範囲内に収まり易い。圧電薄膜3が大きい圧電性能指数を有する限りにおいて、圧電薄膜3は、Bi、EA、EB、Fe及びOに加えて、他の元素を更に含んでもよい。圧電薄膜3は、Pbを含まなくてよい。圧電薄膜3は、Pbを含んでもよい。
Perovskite oxide contained in the piezoelectric
圧電薄膜3に含まれるペロブスカイト型酸化物は、下記化学式1で表されてよい。下記化学式1は、下記化学式1aと実質的に同じである。
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
(Bi(1−x)(1−α)+xEA (1−x)α)(EB 1−xFex)O3±δ (1a)
The perovskite-type oxide contained in the piezoelectric
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
(Bi (1-x) ( 1-α) + x E A (1-x) α) (E B 1-x Fe x)
上記化学式1及び1a中のEAは、Na、K及びAgからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。上記化学式1及び1a中のEBは、Mg、Al、Ti、Ni及びZnからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であってよい。
E A in
上記記化学式1及び1a中のxは、0.30以上0.80以下であってよい。xが0.30以上0.80以下である場合、I2/(I1+I2)が、0.50以上0.90以下である範囲内に収まり易く、圧電薄膜3が大きい圧電性能指数を有し易い。同様の理由から、xは、0.40以上0.80以下、又は0.50以上0.80以下であってよい。xが0.30以上である場合、I2/(I1+I2)が0.50以上である傾向がある。xが0.80以下である場合、I2/(I1+I2)が0.90以下である傾向がある。上記化学式1及び1a中のαは、0.00以上1.00未満であってよい。I2/(I1+I2)が、0.50以上0.90以下である範囲内に収まり易く、圧電薄膜3が大きい圧電性能指数を有し易いことから、αは0.50であってよい。
X in the
上記化学式1aにおけるδは、0以上であってよい。ペロブスカイト型酸化物の結晶構造(ペロブスカイト構造)が維持される限りにおいて、δは、0以外の値であってよい。例えば、δは、0より大きく1.0以下であってよい。δは、例えば、ペロブスカイト構造におけるAサイト及びBサイト其々に位置する各イオンの価数から算出されてよい。各イオンの価数は、X線光電子分光(XPS)法により測定されてよい。
Δ in the
ペロブスカイト型酸化物に含まれるBi及びEAのモル数の合計値は、[A]と表されてよく、ロブスカイト型酸化物に含まれるFe及びEBのモル数の合計値は、[B]と表されてよく、[A]/[B]は1.0であってよい。ペロブスカイト型酸化物の結晶構造(ペロブスカイト構造)が維持される限りにおいて、[A]/[B]は1.0以外の値であってよい。つまり、[A]/[B]は1.0未満であってよく、[A]/[B]は1.0より大きくてもよい。 Number of moles of the sum of Bi and E A included in the perovskite oxide may be represented as [A], the number of moles of the sum of Fe and E B contained in the perovskite type oxide, [B] It may be expressed as, and [A] / [B] may be 1.0. As long as the crystal structure (perovskite structure) of the perovskite-type oxide is maintained, [A] / [B] may be a value other than 1.0. That is, [A] / [B] may be less than 1.0, and [A] / [B] may be larger than 1.0.
正方晶1及び正方晶2其々の組成は、上記化学式1又は1aで表される組成の範囲内に収まってよい。正方晶1及び正方晶2其々の組成が、上記化学式1又は1aで表される組成の範囲内に収まる限りにおいて、正方晶1の組成は、正方晶2の組成と異なってよい。正方晶1の組成は、正方晶2の組成と同じであってもよい。圧電薄膜3を構成するペロブスカイト型酸化物の全体的な組成が上記化学式1又は1aで表される組成の範囲内に収まる限りにおいて、正方晶1の組成は、正方晶2の組成と異なってよい。圧電薄膜3を構成するペロブスカイト型酸化物の全体的な組成が上記化学式1又は1aで表される組成の範囲内に収まる限りにおいて、正方晶1及び正方晶2のうち少なくとも一方の組成が、上記化学式1又は1aで表される組成の範囲を外れてもよい。
The composition of the
圧電薄膜3の厚みは、例えば、10nm以上10μm以下であってよい。圧電薄膜3の面積は、例えば、1μm2以上500mm2以下であってよい。単結晶基板1、第一中間層5、第一電極層2、第二中間層6、及び第二電極層4其々の面積は、圧電薄膜3の面積と同じであってよい。
The thickness of the piezoelectric
圧電薄膜の組成は、例えば、蛍光X線分析法(XRF法)又は誘導結合プラズマ(ICP)発光分光法によって分析されてよい。圧電薄膜の結晶構造及び結晶配向性は、X線回折(XRD)法によって特定されてよい。上述された圧電薄膜の結晶構造及び結晶配向性は、常温における圧電薄膜の結晶構造及び結晶配向性であってよい。 The composition of the piezoelectric thin film may be analyzed, for example, by fluorescent X-ray analysis (XRF method) or inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy. The crystal structure and crystal orientation of the piezoelectric thin film may be specified by the X-ray diffraction (XRD) method. The crystal structure and crystal orientation of the piezoelectric thin film described above may be the crystal structure and crystal orientation of the piezoelectric thin film at room temperature.
圧電薄膜3は、例えば、以下の方法により形成されてよい。
The piezoelectric
圧電薄膜3の原料としては、圧電薄膜3と同様の組成を有するターゲットが用いられてよい。ターゲットの作製方法は、次の通りである。
As the raw material of the piezoelectric
出発原料として、例えば、Bi、EA、EB及びFe其々の酸化物が用いられてよい。出発原料として、酸化物に代えて、炭酸塩又はシュウ酸塩等のように、焼成により酸化物になる物質が用いられてもよい。これらの出発原料を100℃以上で十分に乾燥した後、Bi、EA、EB及びFeのモル数が、上記化学式1に規定された範囲内になるように、各出発原料が秤量される。後述される気相成長法において、ターゲット中のBiは、他の元素に比べて揮発し易い。したがって、ターゲット中のBiのモル比は、圧電薄膜3中のBiのモル比よりも高い値に調整されてよい。EAとしてKを含む原料が用いられる場合、ターゲット中のKは、他の元素に比べて揮発し易い。したがって、ターゲット中のKのモル比は、圧電薄膜3中のKのモル比よりも高い値に調整されてよい。
As starting materials, for example, Bi, E A, may oxides of s E B and Fe其are used. As a starting material, a substance that becomes an oxide by calcination, such as carbonate or oxalate, may be used instead of the oxide. After these starting materials were fully dried at 100 ° C. or higher, Bi, E A, is the number of moles of E B and Fe, so that within the range defined in
秤量された出発原料は、有機溶媒又は水の中で十分に混合される。混合時間は、5時間以上20時間以下であってよい。混合手段は、例えば、ボールミルであってよい。混合後の出発原料を、十分乾燥した後、出発原料はプレス機で成形される。成形された出発原料が仮焼き(calcine)されることより、仮焼物が得られる。仮焼きの温度は、750℃以上900℃以下であってよい。仮焼きの時間は、1時間以上3時間以下であってよい。仮焼物は、有機溶媒又は水の中で粉砕される。粉砕時間は、5時間以上30時間以下であってよい。粉砕手段は、ボールミルであってよい。粉砕された仮焼物の乾燥後、バインダー溶液が加えられた仮焼物を造粒することにより、仮焼物の粉が得られる。仮焼物の粉のプレス成形により、ブロック状の成形体が得られる。 The weighed starting material is well mixed in an organic solvent or water. The mixing time may be 5 hours or more and 20 hours or less. The mixing means may be, for example, a ball mill. After the starting material after mixing is sufficiently dried, the starting material is formed by a press. A calcined product is obtained by calcine the molded starting material. The temperature of the calcining may be 750 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. The baking time may be 1 hour or more and 3 hours or less. The calcined product is ground in an organic solvent or water. The crushing time may be 5 hours or more and 30 hours or less. The crushing means may be a ball mill. After the crushed calcined product is dried, the calcined product powder to which the binder solution is added is granulated to obtain the powder of the calcined product. By press molding the powder of the calcined product, a block-shaped molded product is obtained.
ブロック状の成形体を加熱することにより、成形体中のバインダーを揮発させる。加熱温度は、400℃以上800℃以下であってよい。加熱時間は、2時間以上4時間下であってよい。 By heating the block-shaped molded product, the binder in the molded product is volatilized. The heating temperature may be 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. The heating time may be 2 hours or more and 4 hours or less.
バインダーの揮発後、成形体が焼成(sinter)される。焼成温度は、800℃以上1100℃以下であってよい。焼成時間は、2時間以上4時間以下であってよい。焼成過程における成形体の昇温速度及び降温速度は、例えば50℃/時間以上300℃/時間以下であってよい。 After volatilization of the binder, the molded product is sintered. The firing temperature may be 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. The firing time may be 2 hours or more and 4 hours or less. The temperature raising rate and the temperature lowering rate of the molded product in the firing process may be, for example, 50 ° C./hour or more and 300 ° C./hour or less.
以上の工程により、ターゲットが得られる。ターゲットに含まれる酸化物(ペロブスカイト型酸化物)の結晶粒(crystal grain)の平均粒径は、例えば、1μm以上20μm以下であってよい。 The target is obtained by the above steps. The average particle size of the crystal grains of the oxide (perovskite type oxide) contained in the target may be, for example, 1 μm or more and 20 μm or less.
上記ターゲットを用いた気相成長法によって、圧電薄膜3が形成されてよい。気相成長法では、真空雰囲気下において、ターゲットを構成する元素を蒸発させる。蒸発した元素が、第二中間層6、第一電極層2、又は単結晶基板1のいずれかの表面に付着及び堆積することにより、圧電薄膜3が成長する。気相成長法は、例えば、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、化学蒸着法(Chemical Vapor Deposition)法、又はパルスレーザー堆積(Pulsed−laser deposition)法であってよい。以下では、パルスレーザー堆積法が、PLD法と表記される。気相成長法の種類に依って、励起源が異なる。スパッタリング法の励起源は、Arプラズマである。電子ビーム蒸着法の励起源は、電子ビームである。PLD法の励起源は、レーザー光(例えば、エキシマレーザー)である。これらの励起源がターゲットに照射されると、ターゲットを構成する元素が蒸発する。上記の気相成長法を用いることによって、圧電薄膜3がエピタキシャルに成長し易い。上記の気相成長法を用いることによって、原子レベルで緻密である圧電薄膜3を形成することが可能であり、圧電薄膜3中における元素の偏析が抑制される。
The piezoelectric
上記の気相成長法の中でも、以下の点において、PLD法が比較的に優れている。PLD法では、パルスレーザーにより、ターゲットを構成する各元素を、一瞬で斑なくプラズマ化させることができる。したがって、ターゲットとほぼ同じ組成を有する圧電薄膜3が形成され易い。またPLD法では、レーザーのパルス数(繰り返し周波数)を変えることで、圧電薄膜3の厚みを制御し易い。
Among the above-mentioned vapor deposition methods, the PLD method is relatively excellent in the following points. In the PLD method, each element constituting the target can be instantly turned into plasma without spots by using a pulse laser. Therefore, the piezoelectric
圧電薄膜3はエピタキシャル膜であってよい。つまり、圧電薄膜3は、エピタキシャル成長によって形成されてよい。エピタキシャル成長により、正方晶1のc1/a1及び正方晶2のc2/a2が上記期の範囲内に収まり易く、異方性及び結晶配向性に優れた圧電薄膜3が形成され易い。圧電薄膜3がPLD法によって形成される場合、圧電薄膜3がエピタキシャル成長によって形成され易い。
The piezoelectric
PLD法では、真空チャンバー内における単結晶基板1及び第一電極層2を加熱しながら、圧電薄膜3が形成されてよい。単結晶基板1及び第一電極層2の温度(成膜温度)は、例えば、300℃以上800℃以下、500℃以上700℃以下、又は500℃以上600℃以下であればよい。成膜温度が高いほど、単結晶基板1又は第一電極層2の表面の清浄度が改善され、圧電薄膜3の結晶性が高まり、正方晶1及び正方晶2其々の結晶面の配向度が高まり易い。成膜温度が高過ぎる場合、Bi又はKが圧電薄膜3から脱離し易く、圧電薄膜3の組成が制御され難い。
In the PLD method, the piezoelectric
PLD法では、真空チャンバー内の酸素分圧は、例えば、10mTorrより大きく400mTorr未満、15mTorr以上300mTorr以下、又は20mTorr以上200mTorr以下であってよい。換言すると、真空チャンバー内の酸素分圧は、例えば、1Paより大きく53Pa未満、2Pa以上40Pa以下、又は3Pa以上30Pa以下であってよい。酸素分圧が上記範囲内に維持されることにより、単結晶基板1の上に堆積したBi、EA、EB及びFeが十分に酸化され易い。酸素分圧が低過ぎる場合、圧電薄膜3の結晶面の配向度が低下し易く、正方晶1及び正方晶2が圧電薄膜3中に共存し難い。酸素分圧が高過ぎる場合、圧電薄膜3の成長速度が低下し易く、圧電薄膜3の結晶面の配向度が低下し易い。
In the PLD method, the oxygen partial pressure in the vacuum chamber may be, for example, greater than 10 mTorr and less than 400 mTorr, 15 mTorr or more and 300 mTorr or less, or 20 mTorr or more and 200 mTorr or less. In other words, the partial pressure of oxygen in the vacuum chamber may be, for example, greater than 1 Pa and less than 53 Pa, 2 Pa or more and 40 Pa or less, or 3 Pa or more and 30 Pa or less. By the oxygen partial pressure is maintained within the range, Bi deposited on a
PLD法で制御される上記以外のパラメータは、例えば、レーザー発振周波数、及び基板とターゲットの間の距離などである。これらのパラメータの制御によって、圧電薄膜3の結晶構造及び結晶配向性が制御され易い。例えば、レーザー発振周波数が10Hz以下である場合、圧電薄膜3の結晶面の配向度が高まり易い。
Other parameters controlled by the PLD method are, for example, the laser oscillation frequency and the distance between the substrate and the target. By controlling these parameters, the crystal structure and crystal orientation of the piezoelectric
圧電薄膜3の成長過程において、単結晶基板1の温度(真空チャンバー内の温度)の上昇及び下降からなるヒートサイクルが実施されてよい。ヒートサイクルが繰り返されてもよい。ヒートサイクルの温度範囲は、上記の成膜温度の範囲内であってよい。成長中の圧電薄膜3においては、単結晶基板1の表面に平行な引張応力(tensile stress)が生じ易い。または、成長中の圧電薄膜3においては、単結晶基板1の表面に平行な圧縮応力(compressive stress)が生じ易い。引張応力又は圧縮応力は、例えば、単結晶基板1と圧電薄膜3との間の格子不整合、又は単結晶基板1と圧電薄膜3との間の熱膨張係数の差に起因する。引張応力又は圧縮応力が大き過ぎる場合、正方晶1及び正方晶2が形成され難く、単一の正方晶(異方性において均一な正方晶)が形成され易い。圧電薄膜3に生じる引張応力又は圧縮応力をヒートサイクルによって適度に緩和することにより、正方晶1及び正方晶2が共存する圧電薄膜3が成長し易い。
In the growth process of the piezoelectric
圧電薄膜3が成長した後、圧電薄膜3のアニール処理(加熱処理)が行われてよい。アニール処理における圧電薄膜3の温度(アニール温度)は、例えば、300℃以上1000℃以下、600℃以上1000℃以下、又は850℃以上1000℃以下であってよい。圧電薄膜3のアニール処理により、圧電薄膜3の圧電性が更に向上する傾向がある。特に850℃以上1000℃以下でのアニール処理により、圧電薄膜3の圧電性が向上し易い。ただし、アニール処理は必須でない。
After the piezoelectric
単結晶基板1は、例えば、Siの単結晶からなる基板、又はGaAs等の化合物半導体の単結晶からなる基板であってよい。単結晶基板1は、酸化物の単結晶からなる基板であってもよい。酸化物の単結晶は、例えば、MgO又はペロブスカイト型酸化物(例えばSrTiO3)であってよい。単結晶基板1の厚みは、例えば、10μm以上1000μm以下であってよい。単結晶基板1が導電性を有する場合、単結晶基板1が電極として機能するので、第一電極層2はなくてもよい。つまり、導電性を有する単結晶基板1は、例えば、ニオブ(Nb)がドープされたSrTiO3の単結晶であってよい。
The
単結晶基板1の結晶方位は、単結晶基板1の表面の法線方向DNと等しくてよい。つまり、単結晶基板1の表面は、単結晶基板1の結晶面と平行であってよい。単結晶基板1は一軸配向基板であってよい。例えば、単結晶基板1(例えばSi)の(100)面が、単結晶基板1の表面と平行であってよい。つまり、単結晶基板1(例えばSi)の[100]方向が、単結晶基板1の表面の法線方向DNと平行であってよい。
Crystal orientation of the
単結晶基板1(例えばSi)の(100)面が単結晶基板1の表面と平行である場合、圧電薄膜3中のペロブスカイト型結晶の(001)面が、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向し易い。
When the (100) plane of the single crystal substrate 1 (for example, Si) is parallel to the surface of the
上述の通り、第一中間層5が、単結晶基板1と第一電極層2との間に配置されていてよい。第一中間層5は、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、酸化チタン(TiO2)、酸化ケイ素(SiO2)、及び酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでよい。第一中間層5を介することにより、第一電極層2が単結晶基板1に密着し易い。第一中間層5は、結晶質であってよい。第一中間層5の結晶面が、単結晶基板1の表面の法線方向DNにおいて配向していてよい。単結晶基板1の結晶面と第一中間層5の結晶面の両方が、単結晶基板1の表面の法線方向DNにおいて配向してよい。第一中間層5の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。
As described above, the first
第一中間層5は、ZrO2及び希土類元素の酸化物を含んでよい。第一中間層5が、ZrO2及び希土類元素の酸化物を含むことにより、白金の結晶からなる第一電極層2が第一中間層5の表面に形成され易く、白金の結晶の(002)面が、第一電極層2の表面の法線方向において配向し易く、白金の結晶の(200)面が、第一電極層2の表面の面内方向において配向し易い。希土類元素は、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、及びルテチウム(Lu)からなる群より選ばれる少なくとも一種であってよい。
The first
第一中間層5は、ZrO2及びY2O3を含んでよい。例えば、第一中間層5は、イットリア安定化ジルコニア(Y2O3が添加されたZrO2)からなっていてよい。第一中間層5は、ZrO2からなる第一層と、Y2O3からなる第二層とを有してよい。ZrO2からなる第一層は、単結晶基板1の表面に直接積層されてよい。Y2O3からなる第二層は、第一層の表面に直接積層されてよい。第一電極層2は、Y2O3からなる第二層の表面に直接積層されてよい。第一中間層5がZrO2及びY2O3を含む場合、圧電薄膜3が、エピタキシャルに成長し易く、正方晶1及び正方晶2が圧電薄膜3中に共存し易く、正方晶1及び正方晶2其々の(001)面が圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて優先的に配向し易い。また第一中間層5がZrO2及びY2O3を含む場合、白金の結晶からなる第一電極層2が第一中間層5の表面に形成され易く、白金の結晶の(002)面が、第一電極層2の表面の法線方向において配向し易く、白金の結晶の(200)面が、第一電極層2の表面の面内方向において配向し易い。
The first
第一電極層2は、例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、金(Au)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、及びニッケル(Ni)からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属からなっていてよい。第一電極層2は、例えば、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3)、ニッケル酸ランタン(LaNiO3)、又はコバルト酸ランタンストロンチウム((La,Sr)CoO3)等の導電性金属酸化物からなっていてもよい。第一電極層2は、結晶質であってよい。第一電極層2の結晶面が、単結晶基板1の法線方向DNにおいて配向していてよい。第一電極層2の結晶面は、単結晶基板1の表面と略平行であってよい。単結晶基板1の結晶面と第一電極層2の結晶面の両方が、単結晶基板1の法線方向DNにおいて配向していてよい。単結晶基板1の法線方向DNにおいて配向する第一電極層2の結晶面が、圧電薄膜3中の正方晶1及び正方晶2其々の(001)面と略平行であってよい。第一電極層2の厚みは、例えば、1nm以上1.0μm以下であってよい。第一電極層2の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法の場合、第一電極層2の結晶性を高めるために、第一電極層2の加熱処理(アニーリング)が行われてよい。
The
第一電極層2は、白金の結晶を含んでよい。第一電極層2が、白金の結晶のみからなっていてよい。白金の結晶は、面心立方格子構造(fcc構造)を有する立方晶である。白金の結晶の(002)面が、第一電極層2の表面の法線方向において配向していてよく、白金の結晶の(200)面が、第一電極層2の表面の面内方向において配向していてよい。換言すれば、白金の結晶の(002)面が、第一電極層2の表面に略平行であってよく、白金の結晶の(200)面が、第一電極層2の表面に略垂直であってよい。第一電極層2を構成する白金の結晶の(002)面及び(200)面が上記の配向性を有する場合、圧電薄膜3が、第一電極層2の表面においてエピタキシャルに成長し易く、正方晶1及び正方晶2が圧電薄膜3中に共存し易く、正方晶1及び正方晶2其々の(001)面が圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて優先的に配向し易い。第一電極層2の表面は、圧電薄膜3の表面に略平行であってよい。つまり、第一電極層2の表面の法線方向は、圧電薄膜3の表面の法線方向dnと略平行であってよい。
The
上述の通り、第二中間層6が、第一電極層2と圧電薄膜3との間に配置されていてよい。第二中間層6は、例えば、SrRuO3、LaNiO3及び(La,Sr)CoO3からなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでよい。(La,Sr)CoO3は、例えば、La0.5Sr0.5CoO3であってよい。第二中間層6は、結晶質であってよい。例えば、第二中間層6は、例えば、SrRuO3の結晶を含む層、LaNiO3の結晶を含む層、及び(La,Sr)CoO3の結晶を含む層なる群より選ばれる少なくとも二種のバッファー層から構成される積層体であってもよい。SrRuO3、LaNiO3及び(La,Sr)CoO3のいずれもペロブスカイト構造を有する。したがって、第二中間層6が、SrRuO3、LaNiO3及び(La,Sr)CoO3からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む場合、圧電薄膜3が、エピタキシャルに成長し易く、正方晶1及び正方晶2が圧電薄膜3中に共存し易く、正方晶1及び正方晶2其々の(001)面が圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて優先的に配向し易い。また、第二中間層6を介することにより、圧電薄膜3が第一電極層2に密着し易い。第二中間層6の結晶面が、単結晶基板1の表面の法線方向DNにおいて配向していてよい。単結晶基板1の結晶面と第二中間層6の結晶面の両方が、単結晶基板1の表面の法線方向DNにおいて配向してよい。第二中間層6の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。
As described above, the second
第二電極層4は、例えば、例えば、Pt、Pd、Rh、Au、Ru、Ir、Mo、Ti、Ta、及びNiからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属からなっていてよい。第二電極層4は、例えば、LaNiO3、SrRuO3及び(La,Sr)CoO3からなる群より選ばれる少なくとも一種の導電性金属酸化物からなっていてよい。第二電極層4は、結晶質であってよい。第二電極層4の結晶面が、単結晶基板1の法線方向DNにおいて配向していてよい。第二電極層4の結晶面は、単結晶基板1の表面と略平行であってよい。第二電極層4の結晶面は、圧電薄膜3中の正方晶1及び正方晶2其々の結晶面と略平行であってよい。第二電極層4の厚みは、例えば、1nm以上1.0μm以下であってよい。第二電極層4の形成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法であってよい。印刷法、スピンコート法、又はゾルゲル法の場合、第二電極層4の結晶性を高めるために、第二電極層4の加熱処理(アニーリング)が行われてもよい。
The second electrode layer 4 may consist of, for example, at least one metal selected from the group consisting of, for example, Pt, Pd, Rh, Au, Ru, Ir, Mo, Ti, Ta, and Ni. The second electrode layer 4 may consist of, for example, at least one conductive metal oxide selected from the group consisting of LaNiO 3 , SrRuO 3 and (La, Sr) CoO 3. The second electrode layer 4 may be crystalline. Crystal plane of the second electrode layer 4 may have oriented in the normal direction D N of the
第三中間層が、圧電薄膜3と第二電極層4との間に配置されていてよい。第三中間層を介することにより、第二電極層4が圧電薄膜3に密着し易い。第三中間層の組成、結晶構造及び形成方法は、第二中間層と同じであってよい。
The third intermediate layer may be arranged between the piezoelectric
圧電薄膜素子10の表面の少なくとも一部又は全体が、保護膜によって被覆されていてよい。保護膜による被覆により、例えば圧電薄膜素子10の耐湿性が向上する。
At least a part or the whole of the surface of the piezoelectric
本実施形態に係る圧電薄膜素子の用途は、多様である。例えば、圧電薄膜素子は、圧電トランスデューサに用いられてよい。つまり、本実施形態に係る圧電トランスデューサは、上述された圧電薄膜素子を含んでよい。圧電トランスデューサは、例えば、超音波センサ等の超音波トランスデューサであってよい。圧電薄膜素子は、例えば、ハーベスタ(振動発電素子)であってもよい。本実施形態に係る圧電薄膜素子は、大きい(−e31f)2/ε0εrを有する圧電薄膜を備えるため、超音波トランスデューサ又はハーベスタに適している。圧電薄膜素子は、圧電アクチュエータであってもよい。圧電アクチュエータは、ヘッドアセンブリ、ヘッドスタックアセンブリ、又はハードディスクドライブに用いられてもよい。圧電アクチュエータは、プリンタヘッド、又はインクジェットプリンタ装置に用いられてもよい。圧電アクチュエータは、圧電スイッチであってもよい。圧電アクチュエータは、ハプティクス(haptics)に用いられてもよい。つまり、圧電アクチュエータは、皮膚感覚(触覚)によるフィードバックが求められる様々なデバイスに用いられてよい。皮膚感覚によるフィードバックが求められるデバイスとは、例えば、ウェアラブルデバイス、タッチパッド、ディスプレイ、又はゲームコントローラであってよい。圧電薄膜素子は、圧電センサであってもよい。例えば、圧電センサは、圧電マイクロフォン、ジャイロセンサ、圧力センサ、脈波センサ、又はショックセンサであってよい。圧電薄膜素子は、発振子又は音響多層膜であってもよい。圧電薄膜素子は、微小電気機械システム(Micro Electro Mechanical Systems; MEMS)の一部又は全体であってもよく、例えば、圧電微小機械超音波トランスデューサ(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers; PMUT)であってよい。圧電微小機械超音波トランスデューサを応用した製品の具体例としては、生体認証センサ又は医療/ヘルスケア用センサ(指紋センサ及び血管センサ等)、並びにToF(Time of Flight)センサがある。 The applications of the piezoelectric thin film device according to this embodiment are various. For example, piezoelectric thin film devices may be used in piezoelectric transducers. That is, the piezoelectric transducer according to the present embodiment may include the above-mentioned piezoelectric thin film element. The piezoelectric transducer may be, for example, an ultrasonic transducer such as an ultrasonic sensor. The piezoelectric thin film element may be, for example, a harvester (vibration power generation element). The piezoelectric thin film element according to the present embodiment is suitable for an ultrasonic transducer or a harvester because it includes a piezoelectric thin film having a large (-e 31f ) 2 / ε 0 ε r. The piezoelectric thin film element may be a piezoelectric actuator. Piezoelectric actuators may be used in head assemblies, head stack assemblies, or hard disk drives. The piezoelectric actuator may be used in a printer head or an inkjet printer device. The piezoelectric actuator may be a piezoelectric switch. Piezoelectric actuators may be used for haptics. That is, the piezoelectric actuator may be used in various devices that require feedback by skin sensation (tactile sensation). The device for which skin-sensing feedback is required may be, for example, a wearable device, a touchpad, a display, or a game controller. The piezoelectric thin film element may be a piezoelectric sensor. For example, the piezoelectric sensor may be a piezoelectric microphone, a gyro sensor, a pressure sensor, a pulse wave sensor, or a shock sensor. The piezoelectric thin film element may be an oscillator or an acoustic multilayer film. Piezoelectric thin film elements may be part or all of a Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), for example, Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers; PMUTs. Specific examples of products to which the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer is applied include a biometric sensor or a medical / healthcare sensor (fingerprint sensor, blood vessel sensor, etc.), and a ToF (Time of Flight) sensor.
図4は、上記の圧電薄膜3を備える超音波トランスデューサ10aの模式的な断面を示す。この超音波トランスデューサ10aの断面は、圧電薄膜3の表面に垂直である。超音波トランスデューサ10aは、基板1a及び1bと、基板1a及び1bの上に設置された第一電極層2と、第一電極層2に重なる圧電薄膜3と、圧電薄膜3に重なる第二電極層4と、を備えてよい。圧電薄膜3の下方には、音響用の空洞1cが設けられていてよい。圧電薄膜3の撓み又は振動により、超音波信号が発信又は受信される。第一中間層が基板1a及び1bと第一電極層2の間に介在してよい。第二中間層が第一電極層2と圧電薄膜3の間に介在してよい。
FIG. 4 shows a schematic cross section of the
以下の実施例及び比較例により、本発明が詳細に説明される。本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。 The present invention will be described in detail with reference to the following examples and comparative examples. The present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
実施例1の圧電薄膜素子の作製には、Siからなる単結晶基板が用いられた。Siの(100)面は、単結晶基板の表面と平行であった。単結晶基板は、20mm×20mmの正方形であった。単結晶基板の厚みは、500μmであった。
(Example 1)
A single crystal substrate made of Si was used for producing the piezoelectric thin film device of Example 1. The (100) plane of Si was parallel to the surface of the single crystal substrate. The single crystal substrate was a 20 mm × 20 mm square. The thickness of the single crystal substrate was 500 μm.
真空チャンバー内で、ZrO2及びY2O3からなる結晶質の第一中間層が、単結晶基板の表面全体に形成された。第一中間層は、スパッタリング法により形成された。第一中間層の厚みは、30nmであった。 In the vacuum chamber , a crystalline first intermediate layer consisting of ZrO 2 and Y 2 O 3 was formed over the entire surface of the single crystal substrate. The first intermediate layer was formed by a sputtering method. The thickness of the first intermediate layer was 30 nm.
真空チャンバー内で、Ptの結晶からなる第一電極層が、第一中間層の表面全体に形成された。第一電極層は、スパッタリング法により形成された。第一電極層の厚みは、200nmであった。第一電極層の形成過程における単結晶基板の温度は、500℃に維持した。 In the vacuum chamber, a first electrode layer composed of Pt crystals was formed over the entire surface of the first intermediate layer. The first electrode layer was formed by a sputtering method. The thickness of the first electrode layer was 200 nm. The temperature of the single crystal substrate in the process of forming the first electrode layer was maintained at 500 ° C.
第一電極層の表面におけるOut оf Plane測定により、第一電極層のXRDパターンが測定された。第一電極層の表面におけるIn Plane測定により、第一電極層のXRDパターンが測定された。これらのXRDパターンの測定には、株式会社リガク製のX線回折装置(SmartLab)が用いられた。XRDパターン中の各ピーク強度がバックグラウンド強度に対して少なくとも3桁以上高くなるように、測定条件が設定された。Out оf Plane測定により、Ptの結晶の(002)面の回折X線のピークが検出された。つまり、Ptの結晶の(002)面が、第一電極層の表面の法線方向において配向した。In Plane測定により、Ptの結晶の(200)面の回折X線のピークが検出された。つまり、Ptの結晶の(200)面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。 The XRD pattern of the first electrode layer was measured by the Out оf Plane measurement on the surface of the first electrode layer. The XRD pattern of the first electrode layer was measured by the In Plane measurement on the surface of the first electrode layer. An X-ray diffractometer (SmartLab) manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used for measuring these XRD patterns. The measurement conditions were set so that each peak intensity in the XRD pattern was at least three orders of magnitude higher than the background intensity. The peak of the diffracted X-ray on the (002) plane of the Pt crystal was detected by the Out оf Plane measurement. That is, the (002) plane of the Pt crystal was oriented in the normal direction of the surface of the first electrode layer. The peak of the diffracted X-ray on the (200) plane of the Pt crystal was detected by the In Plane measurement. That is, the (200) plane of the Pt crystal was oriented in the in-plane direction of the surface of the first electrode layer.
真空チャンバー内で、圧電薄膜が第一電極層の表面全体に形成された。圧電薄膜は、PLD法により形成された。圧電薄膜の厚みは、2000nmであった。圧電薄膜の形成過程における単結晶基板の温度(成膜温度)は、500℃に維持した。圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、10Paに維持された。圧電薄膜の原料には、ターゲット(原料粉末の焼結体)が用いられた。ターゲットの原料粉末として、酸化ビスマス、炭酸カリウム、酸化チタン、及び酸化鉄が用いられた。目的とする圧電薄膜の組成に応じて、原料粉末の配合比が調整された。目的とする圧電薄膜の組成は、下記化学式1Aで表されるものであった。つまり、実施例1の場合、下記化学式1中のEAはKであり、下記化学式1中のEBはTiであり、下記化学式1中のαは0.5であった。実施例1の場合、下記化学式1及び1A中のxの値は、下記表1に示す値であった。
(1−x)Bi0.5K0.5TiO3‐xBiFeO3 (1A)
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
In the vacuum chamber, a piezoelectric thin film was formed over the entire surface of the first electrode layer. The piezoelectric thin film was formed by the PLD method. The thickness of the piezoelectric thin film was 2000 nm. The temperature of the single crystal substrate (deposition temperature) in the process of forming the piezoelectric thin film was maintained at 500 ° C. The partial pressure of oxygen in the vacuum chamber during the process of forming the piezoelectric thin film was maintained at 10 Pa. A target (sintered body of raw material powder) was used as a raw material for the piezoelectric thin film. Bismuth oxide, potassium carbonate, titanium oxide, and iron oxide were used as raw material powders for the target. The blending ratio of the raw material powder was adjusted according to the composition of the target piezoelectric thin film. The composition of the target piezoelectric thin film was represented by the following chemical formula 1A. That is, in the case of Example 1, the E A in
(1-x) Bi 0.5 K 0.5 TiO 3- xBiFeO 3 (1A)
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
圧電薄膜の組成が、XRF法により分析された。分析には、日本フィリップス株式会社製の装置PW2404を用いた。分析の結果、実施例1の圧電薄膜の組成は、上記化学式1Aで表されるターゲットの組成とほぼ一致した。 The composition of the piezoelectric thin film was analyzed by the XRF method. An apparatus PW2404 manufactured by Philips Japan Ltd. was used for the analysis. As a result of the analysis, the composition of the piezoelectric thin film of Example 1 was almost the same as the composition of the target represented by the above chemical formula 1A.
上記のX線回折装置を用いて、圧電薄膜の逆格子空間マッピングが行われた。また圧電薄膜の表面におけるOut оf Plane測定により、圧電薄膜のXRDパターンが測定された。さらに圧電薄膜の表面におけるIn Plane測定により、圧電薄膜のXRDパターンが測定された。XRDパターン中の各ピーク強度がバックグラウンド強度に対して少なくとも3桁以上高くなるように、測定条件が設定された。XRDパターンの測定装置及び測定条件は、上記と同様であった。 The reciprocal lattice space mapping of the piezoelectric thin film was performed using the above-mentioned X-ray diffractometer. In addition, the XRD pattern of the piezoelectric thin film was measured by the Out оf Plane measurement on the surface of the piezoelectric thin film. Further, the XRD pattern of the piezoelectric thin film was measured by In Plane measurement on the surface of the piezoelectric thin film. The measurement conditions were set so that each peak intensity in the XRD pattern was at least three orders of magnitude higher than the background intensity. The XRD pattern measuring device and measuring conditions were the same as described above.
上記のXRD法に基づく圧電薄膜の分析結果は、圧電薄膜が以下の特徴を有することを示していた。 The analysis result of the piezoelectric thin film based on the above XRD method showed that the piezoelectric thin film had the following characteristics.
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物からなっていた。
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物の正方晶1、及びペロブスカイト型酸化物の正方晶2を含んでいた。
正方晶1の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。つまり、圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶1の(001)面の配向度は、90%以上であった。正方晶1の(001)面の配向度は、100×I1(001)/(I1(001)+I1(110)+I1(111))と表される。
正方晶2の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。つまり、圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶2の(001)面の配向度は、90%以上であった。正方晶2の(001)面の配向度は、100×I2(001)/(I2(001)+I2(110)+I2(111))と表される。
正方晶1の(001)面の間隔c1は、下記表1に示される値であった。
正方晶2の(001)面の間隔c2は、下記表1に示される値であった。
c1/a1は、下記表1に示される値であった。
c2/a2は、下記表1に示される値であった。
I2/(I1+I2)は、下記表1に示される値であった。
c2−c1は、下記表1に示される値であった。
The piezoelectric thin film consisted of a perovskite-type oxide.
The piezoelectric thin film contained a perovskite-type oxide
The (001) plane of
The (001) plane of
The interval c1 of the (001) plane of the
The distance c2 between the (001) planes of the
c1 / a1 was the value shown in Table 1 below.
c2 / a2 was the value shown in Table 1 below.
I 2 / (I 1 + I 2 ) was the value shown in Table 1 below.
c2-c1 was the value shown in Table 1 below.
以上の方法で、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、を備える積層体が作製された。この積層体を用いて更に以下の工程が実施された。 By the above method, a laminate comprising a single crystal substrate, a first intermediate layer overlapping the single crystal substrate, a first electrode layer overlapping the first intermediate layer, and a piezoelectric thin film overlapping the first electrode layer is produced. rice field. The following steps were further carried out using this laminate.
真空チャンバー内で、Ptからなる第二電極層が、圧電薄膜の表面全体に形成された。第二電極層は、スパッタリング法により形成された。第二電極層の形成過程における単結晶基板の温度は500℃に維持した。第二電極層の厚みは、200nmであった。 In the vacuum chamber, a second electrode layer made of Pt was formed over the entire surface of the piezoelectric thin film. The second electrode layer was formed by a sputtering method. The temperature of the single crystal substrate in the process of forming the second electrode layer was maintained at 500 ° C. The thickness of the second electrode layer was 200 nm.
以上の工程により、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第二電極層と、を備える積層体が作製された。続くフォトリソグラフィにより、単結晶基板上の積層構造のパターニングが行われた。パターニング後、積層体がダイシングにより切断された。 Through the above steps, the single crystal substrate, the first intermediate layer overlapping the single crystal substrate, the first electrode layer overlapping the first intermediate layer, the piezoelectric thin film overlapping the first electrode layer, and the second electrode overlapping the piezoelectric thin film. A laminate comprising the layers was made. Subsequent photolithography was used to pattern the laminated structure on the single crystal substrate. After patterning, the laminate was cut by dicing.
以上の工程により、短冊状の実施例1の圧電薄膜素子を得た。圧電薄膜素子は、単結晶基板と、単結晶基板に重なる第一中間層と、第一中間層に重なる第一電極層と、第一電極層に重なる圧電薄膜と、圧電薄膜に重なる第二電極層と、を備えていた。圧電薄膜の可動部分の面積は、20mm×1.0mmであった。 Through the above steps, a strip-shaped piezoelectric thin film device of Example 1 was obtained. The piezoelectric thin film element includes a single crystal substrate, a first intermediate layer overlapping the single crystal substrate, a first electrode layer overlapping the first intermediate layer, a piezoelectric thin film overlapping the first electrode layer, and a second electrode overlapping the piezoelectric thin film. It had layers and. The area of the movable part of the piezoelectric thin film was 20 mm × 1.0 mm.
<圧電性の評価>
以下の方法により、圧電薄膜の圧電性が評価された。
<Evaluation of piezoelectricity>
The piezoelectricity of the piezoelectric thin film was evaluated by the following method.
[残留分極の測定]
圧電薄膜の分極のヒステリシスが測定された。測定には、原子間顕微鏡(AFM)と強誘電体評価システムとを組み合わせた装置を用いた。原子間顕微鏡は、セイコーインスツル株式会社製のSPA−400であった。強誘電体評価システムは、株式会社東陽テクニカ製のFCEであった。ヒステリシスの測定における交流電圧の周波数は5Hzであった。測定において圧電薄膜に印加される電圧の最大値は20Vであった。圧電薄膜の残留分極Prは、下記表1に示される。残留分極Prは、単位は、μC/cm2である。
[Measurement of residual polarization]
The hysteresis of the polarization of the piezoelectric thin film was measured. A device combining an atomic force microscope (AFM) and a ferroelectric evaluation system was used for the measurement. The atomic force microscope was SPA-400 manufactured by Seiko Instruments Inc. The ferroelectric evaluation system was FCE manufactured by Toyo Corporation. The frequency of the AC voltage in the measurement of hysteresis was 5 Hz. In the measurement, the maximum value of the voltage applied to the piezoelectric thin film was 20V. The remanent polarization Pr of the piezoelectric thin film is shown in Table 1 below. The unit of remanent polarization Pr is μC / cm 2 .
[比誘電率の算出]
圧電薄膜素子の容量Cが測定された。容量Cの測定の詳細は以下の通りであった。
測定装置:Hewlett Packard株式会社製のImpedance Gain‐Phase Analyzer 4194A
周波数:10kHz
電界:0.1V/μm
[Calculation of relative permittivity]
The capacitance C of the piezoelectric thin film element was measured. The details of the measurement of the capacity C were as follows.
Measuring device: Impedance Gain-Phase Analyzer 4194A manufactured by Hewlett-Packard Co., Ltd.
Frequency: 10kHz
Electric field: 0.1V / μm
下記数式Aに基づき、容量Cの測定値から、比誘電率εrが算出された。実施例1のεrは、下記表1に示される。
C=ε0×εr×(S/d) (A)
数式A中のε0は、真空の誘電率(8.854×10−12Fm−1)である。数式A中のSは、圧電薄膜の表面の面積である。Sは、圧電薄膜に重なる第一電極層の面積と言い換えられる。数式A中のdは、圧電薄膜の厚みである。
The relative permittivity ε r was calculated from the measured value of the capacitance C based on the following mathematical formula A. The ε r of Example 1 is shown in Table 1 below.
C = ε 0 × ε r × (S / d) (A)
Ε 0 in the equation A is the permittivity of the vacuum (8.854 × 10-12 Fm -1 ). S in the formula A is the area of the surface of the piezoelectric thin film. S can be rephrased as the area of the first electrode layer that overlaps the piezoelectric thin film. In the formula A, d is the thickness of the piezoelectric thin film.
[圧電定数−e31,fの測定]
圧電薄膜の圧電定数−e31,fを測定するために、圧電薄膜素子として、長方形状の試料(カンチレバー)が作製された。試料の寸法は、幅3mm×長さ15mmであった。寸法を除いて試料は上記の実施例1の圧電薄膜素子と同じであった。測定には、自作の評価システムが用いられた。試料の一端は固定され、試料の他方の一端は自由端であった。試料中の圧電薄膜に電圧を印加しながら、試料の自由端の変位量がレーザーで測定された。そして、下記数式Bから圧電定数−e31,fが算出された。なお、数式B中のEsは単結晶基板のヤング率である。hsは、単結晶基板の厚みである。Lは試料(カンチレバー)の長さである。νsは、単結晶基板のポアソン比である。δoutは、測定された変位量に基づく出力変位である。Vinは、圧電薄膜に印加された電圧である。圧電定数−e31,fの測定における交流電界(交流電圧)の周波数は、100Hzであった。圧電薄膜に印加された電圧の最大値は、50Vであった。−e31,fの単位はC/m2である。実施例1の−e31,fは、下記表1に示される。実施例1の(−e31,f)2/ε0εr(圧電性能指数)は、下記表1に示される。
In order to measure the piezoelectric constants −e 31 and f of the piezoelectric thin film, a rectangular sample (cantilever) was prepared as the piezoelectric thin film element. The dimensions of the sample were 3 mm wide x 15 mm long. Except for the dimensions, the sample was the same as the piezoelectric thin film device of Example 1 above. A self-made evaluation system was used for the measurement. One end of the sample was fixed and the other end of the sample was a free end. The displacement of the free end of the sample was measured with a laser while applying a voltage to the piezoelectric thin film in the sample. Then, the piezoelectric constants −e 31, f were calculated from the following mathematical formula B. Incidentally, E s in formula B is a Young's modulus of the single crystal substrate. h s is the thickness of the single crystal substrate. L is the length of the sample (cantilever). ν s is the Poisson's ratio of the single crystal substrate. δ out is the output displacement based on the measured displacement amount. V in is the voltage applied to the piezoelectric thin film. The frequency of the AC electric field (AC voltage) in the measurement of the piezoelectric constants −e 31 and f was 100 Hz. The maximum value of the voltage applied to the piezoelectric thin film was 50V. The unit of −e 31 and f is C / m 2 . -E 31, f of Example 1 are shown in Table 1 below. The (-e 31, f ) 2 / ε 0 ε r (piezoelectric figure of merit) of Example 1 is shown in Table 1 below.
(実施例2〜6及び比較例1〜3)
実施例2〜6及び比較例1〜3其々の圧電薄膜の形成に用いたターゲットの組成は、実施例1のターゲットと異なっていた。
(Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3)
The composition of the target used for forming the piezoelectric thin films of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 was different from that of the target of Example 1.
実施例2のターゲットの組成は、下記化学式1Bで表されるものであった。つまり、実施例2の場合、下記化学式1中のEAはKであり、下記化学式1中のEBはZn及びTiであり、下記化学式1中のαは0.5であった。実施例2の場合、下記化学式1及び1B中のxの値は、下記表1に示す値であった。
(1−x)Bi0.5K0.5Zn0.5Ti0.5O3‐xBiFeO3 (1B)
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The composition of the target of Example 2 was represented by the following chemical formula 1B. That is, in the case of Example 2, the E A in
(1-x) Bi 0.5 K 0.5 Zn 0.5 Ti 0.5 O 3- xBiFeO 3 (1B)
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
実施例3のターゲットの組成は、下記化学式1Cで表されるものであった。つまり、実施例3の場合、下記化学式1中のEAはKであり、下記化学式1中のEBはMg及びTiであり、下記化学式1中のαは0.5であった。実施例3の場合、下記化学式1及び1C中のxの値は、下記表1に示す値であった。
(1−x)Bi0.5K0.5Mg0.5Ti0.5O3‐xBiFeO3 (1C)
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The composition of the target of Example 3 was represented by the following chemical formula 1C. That is, in the case of Example 3, the E A in
(1-x) Bi 0.5 K 0.5 Mg 0.5 Ti 0.5 O 3- xBiFeO 3 (1C)
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
実施例4のターゲットの組成は、下記化学式1Dで表されるものであった。つまり、実施例4の場合、下記化学式1中のEAはNaであり、下記化学式1中のEBはZn及びTiであり、下記化学式1中のαは0.5であった。実施例4の場合、下記化学式1及び1D中のxの値は、下記表1に示す値であった。
(1−x)Bi0.5Na0.5Zn0.5Ti0.5O3‐xBiFeO3 (1D)
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The composition of the target of Example 4 was represented by the following chemical formula 1D. That is, in the case of Example 4, the E A in
(1-x) Bi 0.5 Na 0.5 Zn 0.5 Ti 0.5 O 3- xBiFeO 3 (1D)
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
実施例5のターゲットの組成は、下記化学式1Eで表されるものであった。つまり、実施例5の場合、下記化学式1中のEAはAgであり、下記化学式1中のEBはTiであり、下記化学式1中のαは0.5であった。実施例5の場合、下記化学式1及び1E中のxの値は、下記表1に示す値であった。
(1−x)Bi0.5Ag0.5TiO3‐xBiFeO3 (1E)
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The composition of the target of Example 5 was represented by the following chemical formula 1E. That is, in the case of Example 5, the E A in
(1-x) Bi 0.5 Ag 0.5 TiO 3- xBiFeO 3 (1E)
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
実施例6のターゲットの組成は、下記化学式1Fで表されるものであった。つまり、実施例6の場合、下記化学式1中のEAはAgであり、下記化学式1中のEBはZn及びTiであり、下記化学式1中のαは0.5であった。実施例6の場合、下記化学式1及び1F中のxの値は、下記表1に示す値であった。
(1−x)Bi0.5Ag0.5Zn0.5Ti0.5O3‐xBiFeO3 (1F)
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The composition of the target of Example 6 was represented by the following chemical formula 1F. That is, in the case of Example 6, the E A in
(1-x) Bi 0.5 Ag 0.5 Zn 0.5 Ti 0.5 O 3- xBiFeO 3 (1F)
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
比較例1のターゲットの組成は、下記化学式1Gで表されるものであった。つまり、比較例1の場合、下記化学式1中のEAはKであり、下記化学式1中のEBはZn及びTiであり、下記化学式1中のαは0.5であった。比較例1の場合、下記化学式1及び1G中のxの値は、下記表1に示す値であった。
(1−x)Bi0.5K0.5Zn0.5Ti0.5O3‐xBiFeO3 (1G)
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The composition of the target of Comparative Example 1 was represented by the following chemical formula 1G. That is, in the case of Comparative Example 1, the E A in
(1-x) Bi 0.5 K 0.5 Zn 0.5 Ti 0.5 O 3- xBiFeO 3 (1G)
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
比較例2のターゲットの組成は、下記化学式1Hで表されるものであった。つまり、比較例2の場合、下記化学式1中のEAはNaであり、下記化学式1中のEBはTiであり、下記化学式1中のαは0.5であった。比較例2の場合、下記化学式1及び1H中のxの値は、下記表1に示す値であった。
(1−x)Bi0.5Na0.5TiO3‐xBiFeO3 (1H)
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The composition of the target of Comparative Example 2 was represented by the following chemical formula 1H. That is, in the case of Comparative Example 2, the E A in
(1-x) Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3- xBiFeO 3 (1H)
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
比較例3のターゲットの組成は、BiFeO3であった。つまり、比較例3の場合、下記化学式1中のxは、1.0であった。
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1)
The target composition of Comparative Example 3 was BiFeO 3. That is, in the case of Comparative Example 3, x in the following
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
圧電薄膜の形成に用いたターゲットの組成が異なることを除いて実施例1と同様の方法で、実施例2〜6及び比較例1〜3其々の圧電薄膜素子が作製された。 Piezoelectric thin film devices of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the target used for forming the piezoelectric thin film was different.
実施例1と同様の方法により、実施例2〜6及び比較例1〜3其々の第一電極層のXRDパターンが測定された。実施例2〜6及び比較例1〜3のいずれの場合も、第一電極層を構成するPtの結晶の(002)面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ptの結晶の(200)面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。 The XRD patterns of the first electrode layers of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were measured by the same method as in Example 1. In both Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, the (002) plane of the Pt crystal constituting the first electrode layer is oriented in the normal direction of the surface of the first electrode layer. The (200) plane of the Pt crystal was oriented in the in-plane direction of the surface of the first electrode layer.
実施例1と同様の方法により、実施例2〜6及び比較例1〜3其々の圧電薄膜の組成が分析された。実施例2〜6及び比較例1〜3のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。 The compositions of the piezoelectric thin films of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were analyzed by the same method as in Example 1. In both Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, the composition of the piezoelectric thin film was substantially the same as the composition of the target.
実施例1と同様の方法により、XRD法に基づく実施例2〜6及び比較例1、2其々の圧電薄膜の分析が行われた。実施例2〜6及び比較例1、2のいずれの場合も、圧電薄膜は以下の特徴を有していた。 The piezoelectric thin films of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 based on the XRD method were analyzed by the same method as in Example 1. In both Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, the piezoelectric thin film had the following characteristics.
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物からなっていた。
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物の正方晶1、及びペロブスカイト型酸化物の正方晶2を含んでいた。
正方晶1の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶1の(001)面の配向度は、90%以上であった。
正方晶2の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶2の(001)面の配向度は、90%以上であった。
実施例2〜6及び比較例1、2其々のc1は、下記表1に示される値であった。
実施例2〜6及び比較例1、2其々のc2は、下記表1に示される値であった。
実施例2〜6及び比較例1、2其々のc1/a1は、下記表1に示される値であった。
実施例2〜6及び比較例1、2其々のc2/a2は、下記表1に示される値であった。
実施例2〜6及び比較例1、2其々のI2/(I1+I2)は、下記表1に示される値であった。
実施例2〜6及び比較例1、2其々のc2−c1は、下記表1に示される値であった。
The piezoelectric thin film consisted of a perovskite-type oxide.
The piezoelectric thin film contained a perovskite-type oxide
The (001) plane of
The (001) plane of
C1 of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were the values shown in Table 1 below.
C2 of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were the values shown in Table 1 below.
C1 / a1 of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were the values shown in Table 1 below.
C2 / a2 of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were the values shown in Table 1 below.
I 2 / (I 1 + I 2 ) of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 were the values shown in Table 1 below.
The values of Examples 2 to 6 and c2-c1 of Comparative Examples 1 and 2 were the values shown in Table 1 below.
実施例1と同様の方法で、実施例2〜6及び比較例1〜3其々の圧電薄膜の圧電性が評価された。
実施例2〜6及び比較例1〜3其々のPrは、下記表1に示される。
実施例2〜6及び比較例1〜3其々のεrは、下記表1に示される。
実施例2〜6及び比較例1〜3其々の−e31,fは、下記表1に示される。
実施例2〜6及び比較例1〜3其々の(−e31,f)2/ε0εrは、下記表1に示される。
The piezoelectricity of each of the piezoelectric thin films of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 was evaluated by the same method as in Example 1.
Prs of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.
The ε r of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.
-E 31, f of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.
(-E 31, f ) 2 / ε 0 ε r of Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 1 below.
(比較例4)
比較例4の圧電薄膜の形成過程における真空チャンバー内の酸素分圧は、0.1Paに維持された。
(Comparative Example 4)
The oxygen partial pressure in the vacuum chamber in the process of forming the piezoelectric thin film of Comparative Example 4 was maintained at 0.1 Pa.
圧電薄膜の形成過程における酸素分圧を除いて実施例2と同様の方法で、比較例4の圧電薄膜素子が作製された。 The piezoelectric thin film device of Comparative Example 4 was produced in the same manner as in Example 2 except that the oxygen partial pressure in the process of forming the piezoelectric thin film was removed.
実施例1と同様の方法により、比較例4の第一電極層のXRDパターンが測定された。比較例4の場合、第一電極層を構成するPtの結晶の(002)面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ptの結晶の(200)面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。 The XRD pattern of the first electrode layer of Comparative Example 4 was measured by the same method as in Example 1. In the case of Comparative Example 4, the (002) plane of the Pt crystal constituting the first electrode layer is oriented in the normal direction of the surface of the first electrode layer, and the (200) plane of the Pt crystal is the second. It was oriented in the in-plane direction on the surface of the one electrode layer.
実施例1と同様の方法により、比較例4の圧電薄膜の組成が分析された。比較例4の場合、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。 The composition of the piezoelectric thin film of Comparative Example 4 was analyzed by the same method as in Example 1. In the case of Comparative Example 4, the composition of the piezoelectric thin film was almost the same as the composition of the target.
実施例1と同様の方法により、XRD法に基づく比較例4の圧電薄膜の分析が行われた。比較例4の圧電薄膜は以下の特徴を有していた。 The piezoelectric thin film of Comparative Example 4 based on the XRD method was analyzed by the same method as in Example 1. The piezoelectric thin film of Comparative Example 4 had the following characteristics.
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物からなっていた。
比較例4の場合、ペロブスカイト型酸化物の正方晶として、単一の正方晶が検出された。つまり、比較例4の圧電薄膜は、異方性(c/a)において異なる二種類の正方晶を含んでいなかった。比較例4の圧電薄膜に含まれる単一の正方晶は、正方晶1とみなされる。
比較例4の場合、圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶1の(001)面の配向度は、50%未満であった。比較例4の場合、正方晶1のいずれの結晶面も、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していなかった。
比較例4のc1は、下記表2に示される値であった。
比較例4のc1/a1は、下記表2に示される値であった。
比較例4のI2/(I1+I2)は、下記表2に示される値であった。
The piezoelectric thin film consisted of a perovskite-type oxide.
In the case of Comparative Example 4, a single tetragonal crystal was detected as a tetragonal crystal of the perovskite type oxide. That is, the piezoelectric thin film of Comparative Example 4 did not contain two types of tetragonal crystals having different anisotropy (c / a). The single tetragonal crystal contained in the piezoelectric thin film of Comparative Example 4 is regarded as
In the case of Comparative Example 4, the degree of orientation of the (001) plane of the
C1 of Comparative Example 4 was a value shown in Table 2 below.
The values of c1 / a1 of Comparative Example 4 were the values shown in Table 2 below.
I 2 / (I 1 + I 2 ) of Comparative Example 4 was a value shown in Table 2 below.
実施例1と同様の方法で、比較例4の圧電薄膜の圧電性が評価された。
比較例4のPrは、下記表2に示される。
比較例4のεrは、下記表2に示される。
比較例4の−e31,fは、下記表2に示される。
比較例4の(−e31,f)2/ε0εrは、下記表2に示される。
The piezoelectricity of the piezoelectric thin film of Comparative Example 4 was evaluated by the same method as in Example 1.
Pr of Comparative Example 4 is shown in Table 2 below.
The ε r of Comparative Example 4 is shown in Table 2 below.
-E 31, f of Comparative Example 4 are shown in Table 2 below.
(-E 31, f ) 2 / ε 0 ε r of Comparative Example 4 is shown in Table 2 below.
(実施例7及び8)
実施例7及び8の場合、第二中間層が第一電極層の表面全体に形成され、圧電薄膜が第二中間層の表面全体に形成された。実施例7の第二中間層は、結晶質のSrRuO3からなっていた。実施例7の第二中間層の厚みは、50nmであった。実施例8の第二中間層は、結晶質のLaNiO3からなっていた。実施例8の第二中間層の厚みは、50nmであった。下記表3中の「SRO」は、SrRuO3を意味する。下記表3中の「LNO」は、LaNiO3を意味する。
(Examples 7 and 8)
In the case of Examples 7 and 8, the second intermediate layer was formed on the entire surface of the first electrode layer, and the piezoelectric thin film was formed on the entire surface of the second intermediate layer. The second intermediate layer of Example 7 consisted of crystalline SrRuO 3 . The thickness of the second intermediate layer of Example 7 was 50 nm. The second intermediate layer of Example 8 consisted of crystalline LaNiO 3 . The thickness of the second intermediate layer of Example 8 was 50 nm. “SRO” in Table 3 below means SrRuO 3. “LNO” in Table 3 below means LaNiO 3.
第二中間層が形成されたことを除いて実施例2と同様の方法で、実施例7及び8其々の圧電薄膜素子が作製された。 Piezoelectric thin film devices of Examples 7 and 8 were produced in the same manner as in Example 2 except that the second intermediate layer was formed.
実施例1と同様の方法により、実施例7及び8其々の第一電極層のXRDパターンが測定された。実施例7及び8のいずれの場合も、第一電極層を構成するPtの結晶の(002)面が、第一電極層の表面の法線方向において配向しており、Ptの結晶の(200)面が、第一電極層の表面の面内方向において配向していた。 The XRD pattern of the first electrode layer of each of Examples 7 and 8 was measured by the same method as in Example 1. In each of Examples 7 and 8, the (002) plane of the Pt crystal constituting the first electrode layer is oriented in the normal direction of the surface of the first electrode layer, and the (200) of the Pt crystal is oriented. ) Surface was oriented in the in-plane direction of the surface of the first electrode layer.
実施例1と同様の方法により、実施例7及び8其々の圧電薄膜の組成が分析された。実施例7及び8のいずれの場合も、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。 The compositions of the piezoelectric thin films of Examples 7 and 8 were analyzed by the same method as in Example 1. In each of Examples 7 and 8, the composition of the piezoelectric thin film was substantially the same as the composition of the target.
実施例1と同様の方法により、XRD法に基づく実施例7及び8其々の圧電薄膜の分析が行われた。実施例7及び8のいずれの場合も、圧電薄膜は以下の特徴を有していた。 The piezoelectric thin films of Examples 7 and 8 based on the XRD method were analyzed by the same method as in Example 1. In each of Examples 7 and 8, the piezoelectric thin film had the following characteristics.
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物からなっていた。
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物の正方晶1、及びペロブスカイト型酸化物の正方晶2を含んでいた。
正方晶1の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶1の(001)面の配向度は、90%以上であった。
正方晶2の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶2の(001)面の配向度は、90%以上であった。
実施例7及び8其々のc1は、下記表3に示される値であった。
実施例7及び8其々のc2は、下記表3に示される値であった。
実施例7及び8其々のc1/a1は、下記表3に示される値であった。
実施例7及び8其々のc2/a2は、下記表3に示される値であった。
実施例7及び8其々のI2/(I1+I2)は、下記表3に示される値であった。
実施例7及び8其々のc2−c1は、下記表3に示される値であった。
The piezoelectric thin film consisted of a perovskite-type oxide.
The piezoelectric thin film contained a perovskite-type oxide
The (001) plane of
The (001) plane of
C1 of each of Examples 7 and 8 was the value shown in Table 3 below.
C2 of each of Examples 7 and 8 was the value shown in Table 3 below.
C1 / a1 of Examples 7 and 8 were the values shown in Table 3 below.
The values of c2 / a2 in each of Examples 7 and 8 were the values shown in Table 3 below.
The I 2 / (I 1 + I 2 ) of Examples 7 and 8 were the values shown in Table 3 below.
The values of c2-c1 in each of Examples 7 and 8 were the values shown in Table 3 below.
実施例1と同様の方法で、実施例7及び8其々の圧電薄膜の圧電性が評価された。
実施例7及び8其々のPrは、下記表3に示される。
実施例7及び8其々のεrは、下記表3に示される。
実施例7及び8其々の−e31,fは、下記表3に示される。
実施例7及び8其々の(−e31,f)2/ε0εrは、下記表3に示される。
The piezoelectricity of the piezoelectric thin films of Examples 7 and 8 was evaluated in the same manner as in Example 1.
The Prs of Examples 7 and 8 are shown in Table 3 below.
Ε r of each of Examples 7 and 8 is shown in Table 3 below.
-E 31, f of Examples 7 and 8 respectively are shown in Table 3 below.
(-E 31, f ) 2 / ε 0 ε r of Examples 7 and 8 respectively are shown in Table 3 below.
(実施例9)
実施例9の圧電薄膜素子の作製過程では、第一中間層が形成されなかった。実施例9の圧電薄膜素子の作製過程では、結晶質のSrRuO3からなる第一電極層が単結晶基板の表面全体に直接形成された。実施例9の第一電極層の厚みは、200nmであった。これらの事項を除いて実施例2と同様の方法で、実施例9の圧電薄膜素子が作製された。
(Example 9)
In the process of manufacturing the piezoelectric thin film device of Example 9, the first intermediate layer was not formed. The production process of the piezoelectric thin-film element of Example 9, the first electrode layer made of SrRuO 3 crystalline is formed directly on the entire surface of the single crystal substrate. The thickness of the first electrode layer of Example 9 was 200 nm. The piezoelectric thin film device of Example 9 was produced in the same manner as in Example 2 except for these matters.
実施例1と同様の方法により、実施例9の第一電極層のXRDパターンが測定された。実施例9の場合、第一電極層の結晶面は、第一電極層の表面の面内方向において配向してなかった。つまり、実施例9の場合、第一電極層の結晶の面内配向性がなかった。 The XRD pattern of the first electrode layer of Example 9 was measured by the same method as in Example 1. In the case of Example 9, the crystal plane of the first electrode layer was not oriented in the in-plane direction of the surface of the first electrode layer. That is, in the case of Example 9, there was no in-plane orientation of the crystals in the first electrode layer.
実施例1と同様の方法により、実施例9の圧電薄膜の組成が分析された。実施例9の場合、圧電薄膜の組成は、ターゲットの組成とほぼ一致した。 The composition of the piezoelectric thin film of Example 9 was analyzed by the same method as in Example 1. In the case of Example 9, the composition of the piezoelectric thin film was substantially the same as the composition of the target.
実施例1と同様の方法により、XRD法に基づく実施例9の圧電薄膜の分析が行われた。実施例9の圧電薄膜は以下の特徴を有していた。 The piezoelectric thin film of Example 9 was analyzed based on the XRD method by the same method as in Example 1. The piezoelectric thin film of Example 9 had the following characteristics.
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物からなっていた。
圧電薄膜は、ペロブスカイト型酸化物の正方晶1、及びペロブスカイト型酸化物の正方晶2を含んでいた。
正方晶1の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶1の(001)面の配向度は、90%以上であった。
正方晶2の(001)面は、圧電薄膜の表面の法線方向において優先的に配向していた。圧電薄膜の表面の法線方向における正方晶2の(001)面の配向度は、90%以上であった。
実施例9のc1は、下記表4に示される値であった。
実施例9のc2は、下記表4に示される値であった。
実施例9のc1/a1は、下記表4に示される値であった。
実施例9のc2/a2は、下記表4に示される値であった。
実施例9のI2/(I1+I2)は、下記表4に示される値であった。
実施例9のc2−c1は、下記表4に示される値であった。
The piezoelectric thin film consisted of a perovskite-type oxide.
The piezoelectric thin film contained a perovskite-type oxide
The (001) plane of
The (001) plane of
C1 of Example 9 was the value shown in Table 4 below.
C2 of Example 9 was the value shown in Table 4 below.
C1 / a1 of Example 9 was the value shown in Table 4 below.
The values of c2 / a2 in Example 9 were the values shown in Table 4 below.
I 2 / (I 1 + I 2 ) of Example 9 was the value shown in Table 4 below.
The values of c2-c1 of Example 9 were the values shown in Table 4 below.
実施例1と同様の方法で、実施例9の圧電薄膜の圧電性が評価された。
実施例9のPrは、下記表4に示される。
実施例9のεrは、下記表4に示される。
実施例9の−e31,fは、下記表4に示される。
実施例9の(−e31,f)2/ε0εrは、下記表4に示される。
The piezoelectricity of the piezoelectric thin film of Example 9 was evaluated by the same method as in Example 1.
Pr of Example 9 is shown in Table 4 below.
The ε r of Example 9 is shown in Table 4 below.
-E 31, f of Example 9 are shown in Table 4 below.
(-E 31, f ) 2 / ε 0 ε r of Example 9 is shown in Table 4 below.
本発明に係る圧電薄膜は、例えば、圧電トランスデューサ、圧電アクチュエータ及び圧電センサに応用される。 The piezoelectric thin film according to the present invention is applied to, for example, a piezoelectric transducer, a piezoelectric actuator, and a piezoelectric sensor.
10…圧電薄膜素子、10a…超音波トランスデューサ、1…単結晶基板、2…第一電極層、3…圧電薄膜、4…第二電極層、5…第一中間層、6…第二中間層、DN…単結晶基板の表面の法線方向、dn…圧電薄膜の表面の法線方向、uc…ペロブスカイト構造の単位胞、uc1…正方晶1の単位胞、uc2…正方晶2の単位胞。
10 ... Piezoelectric thin film element, 10a ... Ultrasonic transducer, 1 ... Single crystal substrate, 2 ... First electrode layer, 3 ... Piezoelectric thin film, 4 ... Second electrode layer, 5 ... First intermediate layer, 6 ... Second intermediate layer , DN ... Normal direction of the surface of the single crystal substrate, dn ... Normal direction of the surface of the piezoelectric thin film, uc ... Unit cell of perovskite structure, uc1 ... Unit cell of
Claims (16)
前記圧電薄膜は、前記酸化物の正方晶1、及び前記酸化物の正方晶2を含み、
前記正方晶1の(001)面は、前記圧電薄膜の表面の法線方向において配向しており、
前記正方晶2の(001)面は、前記圧電薄膜の表面の法線方向において配向しており、
前記正方晶1の(001)面の間隔は、c1であり、
前記正方晶1の(100)面の間隔は、a1であり、
前記正方晶2の(001)面の間隔は、c2であり、
前記正方晶2の(100)面の間隔は、a2であり、
c2/a2は、c1/a1よりも大きく、
前記正方晶1の(001)面の回折X線のピーク強度は、I1であり、
前記正方晶2の(001)面の回折X線のピーク強度は、I2であり、
I2/(I1+I2)は、0.50以上0.90以下である、
圧電薄膜。 A piezoelectric thin film containing an oxide having a perovskite structure.
The piezoelectric thin film contains a tetragonal crystal 1 of the oxide and a tetragonal crystal 2 of the oxide.
The (001) plane of the tetragonal crystal 1 is oriented in the normal direction of the surface of the piezoelectric thin film.
The (001) plane of the tetragonal crystal 2 is oriented in the normal direction of the surface of the piezoelectric thin film.
The distance between the (001) planes of the tetragonal crystal 1 is c1.
The distance between the (100) planes of the tetragonal crystal 1 is a1.
The distance between the (001) planes of the tetragonal crystal 2 is c2.
The distance between the (100) planes of the tetragonal crystal 2 is a2.
c2 / a2 is larger than c1 / a1
The peak intensity of the diffracted X-rays on the (001) plane of the tetragonal crystal 1 is I 1 .
The peak intensity of the diffracted X-rays on the (001) plane of the tetragonal crystal 2 is I 2 .
I 2 / (I 1 + I 2 ) is 0.50 or more and 0.90 or less.
Piezoelectric thin film.
請求項1に記載の圧電薄膜。 c2-c1 is greater than 0.100 Å and less than 0.490 Å.
The piezoelectric thin film according to claim 1.
c2/a2は、1.085以上1.195以下である、
請求項1又は2に記載の圧電薄膜。 c1 / a1 is 1.030 or more and 1.145 or less.
c2 / a2 is 1.085 or more and 1.195 or less.
The piezoelectric thin film according to claim 1 or 2.
下記化学式1中のEAは、Na、K及びAgからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、
下記化学式1中のEBは、Mg、Al、Ti、Ni及びZnからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素であり、
下記化学式1中のxは、0.30以上0.80以下であり、
下記化学式1中のαは、0.00以上1.00未満である、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電薄膜。
(1−x)Bi1−αEA αEBO3‐xBiFeO3 (1) The oxide is represented by the following chemical formula 1.
E A in Formula 1 is, Na, at least one element selected from the group consisting of K and Ag,
E B in Formula 1 is, Mg, Al, Ti, and at least one element selected from the group consisting of Ni and Zn,
X in the following chemical formula 1 is 0.30 or more and 0.80 or less.
Α in the following chemical formula 1 is 0.00 or more and less than 1.00.
The piezoelectric thin film according to any one of claims 1 to 3.
(1-x) Bi 1- α E A α E B O 3 -xBiFeO 3 (1)
請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電薄膜。 It is an epitaxial film,
The piezoelectric thin film according to any one of claims 1 to 4.
圧電薄膜素子。 The piezoelectric thin film according to any one of claims 1 to 5 is provided.
Piezoelectric thin film element.
前記単結晶基板に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項6に記載の圧電薄膜素子。 Single crystal substrate and
The piezoelectric thin film that overlaps the single crystal substrate,
To prepare
The piezoelectric thin film device according to claim 6.
前記単結晶基板に重なる電極層と、
前記電極層に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項6に記載の圧電薄膜素子。 Single crystal substrate and
The electrode layer that overlaps the single crystal substrate and
The piezoelectric thin film that overlaps the electrode layer and
To prepare
The piezoelectric thin film device according to claim 6.
前記電極層に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項6に記載の圧電薄膜素子。 With the electrode layer
The piezoelectric thin film that overlaps the electrode layer and
To prepare
The piezoelectric thin film device according to claim 6.
前記第一中間層は、前記単結晶基板と前記電極層との間に配置されている、
請求項8に記載の圧電薄膜素子。 With a further first middle layer
The first intermediate layer is arranged between the single crystal substrate and the electrode layer.
The piezoelectric thin film device according to claim 8.
請求項10に記載の圧電薄膜素子。 The first intermediate layer contains ZrO 2 and Y 2 O 3 .
The piezoelectric thin film device according to claim 10.
前記第二中間層は、前記電極層と前記圧電薄膜との間に配置されている、
請求項8〜11のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。 With a second middle layer
The second intermediate layer is arranged between the electrode layer and the piezoelectric thin film.
The piezoelectric thin film device according to any one of claims 8 to 11.
請求項12に記載の圧電薄膜素子。 The second intermediate layer contains at least one of SrRuO 3 and LaNiO 3.
The piezoelectric thin film device according to claim 12.
前記白金の結晶の(002)面は、前記電極層の表面の法線方向において配向しており、
前記白金の結晶の(200)面は、前記電極層の表面の面内方向において配向している、
請求項8〜13のいずれか一項に記載の圧電薄膜素子。 The electrode layer contains platinum crystals and contains.
The (002) plane of the platinum crystal is oriented in the normal direction of the surface of the electrode layer.
The (200) plane of the platinum crystal is oriented in the in-plane direction of the surface of the electrode layer.
The piezoelectric thin film device according to any one of claims 8 to 13.
圧電トランデューサ。 The piezoelectric thin film according to any one of claims 1 to 5 is provided.
Piezoelectric transducer.
圧電トランデューサ。
The piezoelectric thin film device according to any one of claims 6 to 14 is included.
Piezoelectric transducer.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020056476A JP7351249B2 (en) | 2020-03-26 | 2020-03-26 | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer |
US17/208,051 US20210305485A1 (en) | 2020-03-26 | 2021-03-22 | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer |
CN202110314397.1A CN113451501A (en) | 2020-03-26 | 2021-03-24 | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, and piezoelectric transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020056476A JP7351249B2 (en) | 2020-03-26 | 2020-03-26 | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021158206A true JP2021158206A (en) | 2021-10-07 |
JP7351249B2 JP7351249B2 (en) | 2023-09-27 |
Family
ID=77918775
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020056476A Active JP7351249B2 (en) | 2020-03-26 | 2020-03-26 | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7351249B2 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010043353A (en) * | 2008-07-17 | 2010-02-25 | Fujifilm Corp | Perovskite oxide, oxide composition, oxide body, piezoelectric device, and liquid discharge apparatus |
JP2013168530A (en) * | 2012-02-16 | 2013-08-29 | Tdk Corp | Perovskite function lamination film |
-
2020
- 2020-03-26 JP JP2020056476A patent/JP7351249B2/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010043353A (en) * | 2008-07-17 | 2010-02-25 | Fujifilm Corp | Perovskite oxide, oxide composition, oxide body, piezoelectric device, and liquid discharge apparatus |
JP2013168530A (en) * | 2012-02-16 | 2013-08-29 | Tdk Corp | Perovskite function lamination film |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
K. YAZAWA ET AL.: ""Composition dependence of crystal structure and electrical properties for epitaxial films of Bi(Zn1", JOURNAL OF THE CERAMIC SOCIETY OF JAPAN, vol. 118, no. 8, JPN7023000968, 2010, pages 659 - 663, ISSN: 0005011874 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7351249B2 (en) | 2023-09-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7044794B2 (en) | Ceramic material containing pseudo-cubic phase, its preparation and usage | |
JP2010021512A (en) | Piezoelectric/electrostrictive film element, and method of manufacturing the same | |
WO2006095716A1 (en) | Piezoelectric ceramic composition and method for producing same | |
JP7298159B2 (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, head assembly, head stack assembly, hard disk drive, printer head, and inkjet printer device | |
JP7044793B2 (en) | A method for identifying a ceramic material exhibiting an electric field-induced strain derived from a reversible phase transition, a manufacturing method, and a ceramic material obtained from the method. | |
JP2009221037A (en) | Piezoelectric body, piezoelectric element, and piezoelectric actuator | |
WO2017111090A1 (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, head assembly, head stack assembly, hard disk drive, printer head, and inkjet printer device | |
JP7351249B2 (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer | |
JP2019121702A (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, head assembly, head stack assembly, hard disk drive, printer head, and inkjet printer device | |
JP2015165552A (en) | Piezoelectric composition and piezoelectric device | |
JP2020140976A (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, head assembly, head stack assembly, hard disc drive, printer head, and ink-jet printer device | |
WO2022255035A1 (en) | Piezoelectric thin-film element, microelectromechanical system, and ultrasound transducer | |
JP5770344B2 (en) | Method for manufacturing piezoelectric / electrostrictive membrane element | |
JP2022071607A (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer | |
WO2020054779A1 (en) | Dielectric thin film, dielectric thin film element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, head assembly, head stack assembly, hard disk drive, printer head and inkjet printer device | |
US20210305485A1 (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer | |
JP2022137784A (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer | |
JP6499810B2 (en) | Piezoelectric film and piezoelectric element including the same | |
US20230055097A1 (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, and piezoelectric transducer | |
US20230292621A1 (en) | Piezoelectric thin film element and piezoelectric transducer | |
JP2020140975A (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, head assembly, head stack assembly, hard disc drive, printer head, and ink-jet printer device | |
WO2023195413A1 (en) | Nitride, piezoelectric body, piezoelectric element, ferroelectric body, and ferroelectric element | |
US20220367787A1 (en) | Electromechanical responsive film, stacked arrangement and methods of forming the same | |
Futakuchi et al. | Low-temperature preparation of lead-based ferroelectric thick films by screen-printing | |
JP2019079948A (en) | Piezoelectric thin film, piezoelectric thin film element, piezoelectric actuator, piezoelectric sensor, head assembly, head stack assembly, hard disk drive, printer head, and inkjet printer device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220513 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230308 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230314 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230420 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230815 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230828 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7351249 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |