JP2022041246A - Manufacturing method of piezoelectric element and piezoelectric element - Google Patents

Manufacturing method of piezoelectric element and piezoelectric element Download PDF

Info

Publication number
JP2022041246A
JP2022041246A JP2020146335A JP2020146335A JP2022041246A JP 2022041246 A JP2022041246 A JP 2022041246A JP 2020146335 A JP2020146335 A JP 2020146335A JP 2020146335 A JP2020146335 A JP 2020146335A JP 2022041246 A JP2022041246 A JP 2022041246A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
lno
pzt
piezoelectric element
concentration
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.)
Pending
Application number
JP2020146335A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
久男 鈴木
Hisao Suzuki
尚樹 脇谷
Naoki Wakitani
尚紀 坂元
Naoki Sakamoto
昂彦 川口
Takahiko Kawaguchi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shizuoka University NUC
Original Assignee
Shizuoka University NUC
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shizuoka University NUC filed Critical Shizuoka University NUC
Priority to JP2020146335A priority Critical patent/JP2022041246A/en
Publication of JP2022041246A publication Critical patent/JP2022041246A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

To provide a manufacturing method of a piezoelectric element capable of producing a piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity at lower temperature by a CSD method.SOLUTION: A manufacturing method of a piezoelectric element including a substrate, a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer in this order includes an LNO layer forming step. The first electrode layer includes an LNO layer made of lanthanum nickelate (LaNiO3) ceramics. The piezoelectric layer includes lead zirconate titanate-based ceramics and is formed on the surface of the LNO layer. In the LNO layer forming step, a first film including a lanthanum atom, a nickel atom, and an organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms is heated to a temperature of 450°C or more and 600°C or less at a heating rate of 10°C/sec or more. Then, this temperature is maintained to form an LNO layer.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 令和1年9月3日 日本セラミックス協会発行 第35回日本セラミックス協会関東支部研究発表会講要旨集、第24~25頁にて公開 令和1年9月3日~4日 第35回日本セラミックス協会関東支部研究発表会にて公開 令和1年11月20日 日本セラミックス協会発行 第36回日韓国際セラミックスセミナープログラム集、ポスターセッションP-26頁にて公開 令和1年11月20日~23日 第36回日韓国際セラミックスセミナーにて公開 令和2年1月9日 実行委員長 藤 正督発行 第58回日本セラミックス基礎科学討論会 講演要旨集、第155頁にて公開 令和2年1月9日~10日 第58回日本セラミックス基礎科学討論会にて公開Application for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Reiwa 1st year published on pages 24 to 25 of the 35th Japan Ceramics Association Kanto Branch Research Presentation Abstracts, published by the Japan Ceramics Association September 3-4 Published at the 35th Japan Ceramics Association Kanto Branch Research Presentation November 20, 1st Reiwa Published by the Japan Ceramics Association 36th Japan-Korea International Ceramics Seminar Program Collection, Poster Session P-26 Published at Reiwa November 20-23, 1st Published at the 36th Japan-Korea International Ceramics Seminar Reiwa January 9, 2nd Executive Committee Chairman Masanori Fuji Issued 58th Japan Ceramics Basic Science Discussion Meeting Lecture Abstracts, published on page 155 Reiwa January 9-10, 2nd published at the 58th Japan Ceramics Basic Science Conference

本発明は、圧電体素子の製造方法、及び圧電体素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric element and a piezoelectric element.

近年、圧電特性を有するチタンジルコン酸鉛(Pb(Ti、Zr)O)薄膜(以下、「PZT薄膜」という。)を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスが注目を集めている。 In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices using a lead titanium zirconate (Pb (Ti, Zr) O 3 ) thin film (hereinafter referred to as “PZT thin film”) having piezoelectric properties have attracted attention.

PZT薄膜は、その配向方向により物理定数が異なることが知られている。特に正方晶系、菱面体晶系及びその境界のMPB(Morphotropic phase boundary)組成のPZT薄膜は、c軸配向((001)配向)制御がされることで、高い圧電性及び強誘電性を示す。つまり、c軸配向制御されたPZT薄膜は、高い圧電定数d33を示すとともに、高い残留分極値Prを示す。 It is known that the PZT thin film has different physical constants depending on its orientation direction. In particular, the PZT thin film having the MPB (Morphotropic phase boundary) composition of the tetragonal system, the rhombohedral system and its boundary exhibits high piezoelectricity and ferroelectricity by controlling the c-axis orientation ((001) orientation). .. That is, the c-axis orientation controlled PZT thin film exhibits a high piezoelectric constant d 33 and a high residual polarization value Pr.

PZT薄膜の成膜方法として、CSD(Chemical Solution Depositoon)法、及びスパッタリング法が知られている。なかでも、CSD法は、PZT薄膜の組成制御が容易で、スパッタリング法とは異なり、大きな基板に均一なPZT薄膜を容易に成膜できる。さらに、CSD法は、真空装置などの高価な設備を必要としないため、低コストである。そのため、CSD法によって、c軸配向制御されたPZT薄膜を成膜する研究が盛んに行われている。 As a method for forming a PZT thin film, a CSD (Chemical Solution Depositoon) method and a sputtering method are known. Among them, the CSD method makes it easy to control the composition of the PZT thin film, and unlike the sputtering method, a uniform PZT thin film can be easily formed on a large substrate. Further, the CSD method is low cost because it does not require expensive equipment such as a vacuum device. Therefore, research is being actively conducted to form a PZT thin film whose c-axis orientation is controlled by the CSD method.

特許文献1には、CSD法による圧電体素子の製造方法が開示されている。特許文献1に開示の製造方法は、下部電極層形成工程と、圧電体層形成工程と、上部電極層形成工程とを有する。下部電極層形成工程、圧電体層形成工程、及び上部電極層形成工程は、この順に実行される。 Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a piezoelectric element by the CSD method. The manufacturing method disclosed in Patent Document 1 includes a lower electrode layer forming step, a piezoelectric layer forming step, and an upper electrode layer forming step. The lower electrode layer forming step, the piezoelectric layer forming step, and the upper electrode layer forming step are executed in this order.

下部電極層形成工程では、シリコン基板の表面に、ニッケル酸ランタン(LaNiO)セラミックスからなる下部電極を形成する。詳しくは、シリコン基板の表面にLNO前駆体溶液を塗布し、急速加熱炉(RTA:Rapid Thermal Annealing)を用いて、昇温速度200℃/分、700℃で5分の条件で急速加熱し、ニッケル酸ランタンセラミックスの結晶化を行う。 In the lower electrode layer forming step, a lower electrode made of lanthanum nickelate (LaNiO 3 ) ceramics is formed on the surface of the silicon substrate. Specifically, the surface of the silicon substrate is coated with the LNO precursor solution, and rapidly heated at a heating rate of 200 ° C./min and 700 ° C. for 5 minutes using a rapid heating furnace (RTA: Rapid Thermal Annealing). Crystallize lanthanum nickelate ceramics.

LNO前駆体溶液は、硝酸ランタン、酢酸ニッケル、2-メトキシエタノール、及び2-アミノエタノールからなる。 The LNO precursor solution consists of lanthanum nitrate, nickel acetate, 2-methoxyethanol, and 2-aminoethanol.

圧電体層形成工程では、下部電極層の表面に、チタン酸ジルコン酸鉛セラミックスからなる圧電体層を形成する。詳しくは、下部電極層の表面にPZT前駆体溶液を塗布し、RTAを用いて、昇温速度200℃/分、650℃で5分の条件で、急速加熱し、チタンジルコン酸鉛セラミックスの結晶化を行う。 In the piezoelectric layer forming step, a piezoelectric layer made of lead zirconate titanate ceramics is formed on the surface of the lower electrode layer. Specifically, the PZT precursor solution is applied to the surface of the lower electrode layer and rapidly heated using RTA at a heating rate of 200 ° C./min and 650 ° C. for 5 minutes to crystallize lead zirconate titanate ceramics. To make it.

PZT前駆体前駆体溶液は、Ti-Zr溶液をPb溶液に混合して得られる。Ti-Zr溶液は、チタンイソプロポキシド、ジルコンノルマルプロポキシド、及び無水エタノールからなる。Pb溶液は、酢酸鉛(II)、及び無水エタノールからなる。 The PZT precursor precursor solution is obtained by mixing a Ti—Zr solution with a Pb solution. The Ti-Zr solution consists of titanium isopropoxide, zircon normal propoxide, and absolute ethanol. The Pb solution consists of lead acetate (II) and absolute ethanol.

上部電極層形成工程では、金からなる上部電極層をイオンビーム蒸着法等により形成する。 In the upper electrode layer forming step, an upper electrode layer made of gold is formed by an ion beam vapor deposition method or the like.

特開2008-251916号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-251916

しかしながら、特許文献1に開示の製造方法では、基板は、650℃以上の高温に曝される。そのため、基板には、シリコン基板、酸化マグネシウム単結晶基板、チタン酸ストロンチウム単結晶基板、高融点ガラス基板等の熱的に安定性を有する基板が必要となる。その結果、圧電デバイスの設計の自由度が制限されるおそれがある。 However, in the manufacturing method disclosed in Patent Document 1, the substrate is exposed to a high temperature of 650 ° C. or higher. Therefore, a substrate having thermal stability such as a silicon substrate, a magnesium oxide single crystal substrate, a strontium titanate single crystal substrate, and a refractory glass substrate is required as the substrate. As a result, the degree of freedom in designing the piezoelectric device may be limited.

本開示は、上記に鑑みてなされたものである。
本開示の一実施形態が解決しようとする課題は、CSD法によって、より低温で圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子を製造することができる圧電体素子の製造方法を提供することである。
本開示の他の実施形態が解決しようとする課題は、圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子を提供することである。
The present disclosure has been made in view of the above.
An object to be solved by one embodiment of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a piezoelectric element capable of producing a piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity at a lower temperature by the CSD method. ..
An object to be solved by another embodiment of the present disclosure is to provide a piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity.

上記課題を解決するための手段には、以下の実施態様が含まれる。 The means for solving the above problems include the following embodiments.

<1> 基板、第1電極層、圧電体層、及び第2電極層をこの順に備える圧電体素子の製造方法であって、
前記第1電極層は、ニッケル酸ランタン系セラミックスからなるLNO層を有し、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを有し、かつ前記LNO層の表面に形成されており、
ランタン原子、ニッケル原子、及び炭素数1以上4以下の有機溶媒を含む第1膜を、10℃/秒以上の昇温速度で450℃以上600℃以下の温度まで昇温し、前記温度を保持して、前記LNO層を形成するLNO層形成工程を含む、圧電体素子の製造方法。
<1> A method for manufacturing a piezoelectric element including a substrate, a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer in this order.
The first electrode layer has an LNO layer made of lanthanum nickelate ceramics.
The piezoelectric layer has lead zirconate titanate-based ceramics and is formed on the surface of the LNO layer.
The first film containing a lanthanum atom, a nickel atom, and an organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms is heated to a temperature of 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower at a heating rate of 10 ° C./sec or higher to maintain the temperature. A method for manufacturing a piezoelectric element, which comprises a step of forming an LNO layer for forming the LNO layer.

<2> 前記炭素数1以上4以下の有機溶媒は、アルコールを含む、<1>に記載の圧電体素子の製造方法。 <2> The method for producing a piezoelectric device according to <1>, wherein the organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms contains alcohol.

<3> 前記昇温速度は、30℃/秒以上である、<1>又は<2>に記載の圧電体素子の製造方法。 <3> The method for manufacturing a piezoelectric element according to <1> or <2>, wherein the temperature rising rate is 30 ° C./sec or more.

<4> 前記第1膜は、2-メトキシエタノール、及び2-アミノエタノールの少なくとも一方を含む、<1>~<3>のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。 <4> The method for producing a piezoelectric element according to any one of <1> to <3>, wherein the first film contains at least one of 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol.

<5> 前記圧電体層は、前記LNO層の表面に形成された下地層と、前記下地層の表面に形成された前記チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるPZT層とを含み、
鉛原子、チタン原子、及び第1有機溶媒を含む第2膜を、450℃以上600℃以下で加熱して、前記LNO層の表面に前記下地層を形成する下地層形成工程と、
鉛原子、チタン原子、ジルコニウム原子、及び第2有機溶媒を含む第3膜を、450℃以上600℃以下で加熱して、前記下地層の表面に前記PZT層を形成するPZT層形成工程とを含む、<1>~<4>のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
<5> The piezoelectric layer includes a base layer formed on the surface of the LNO layer and a PZT layer made of the lead zirconate titanate ceramics formed on the surface of the base layer.
A step of forming a base layer on the surface of the LNO layer by heating a second film containing a lead atom, a titanium atom, and a first organic solvent at 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
A PZT layer forming step of heating a third film containing a lead atom, a titanium atom, a zirconium atom, and a second organic solvent at 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower to form the PZT layer on the surface of the base layer. The method for manufacturing a piezoelectric element according to any one of <1> to <4>, which comprises.

<6>前記第2膜は、ジルコニウム原子を更に含有し、
前記第2膜のチタン原子に対するジルコニウム原子の割合は、モル比で、0%超25%未満である、<5>に記載の圧電体素子の製造方法。
<6> The second film further contains a zirconium atom and contains a zirconium atom.
The method for manufacturing a piezoelectric element according to <5>, wherein the ratio of the zirconium atom to the titanium atom of the second film is more than 0% and less than 25% in terms of molar ratio.

<7> 前記PZT層形成工程において、
チタンアルコキシド化合物と、ジルコニウムアルコキシド化合物と、第3有機溶媒と、炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方とを添加して、第1溶液を調製し、
前記第1溶液に、水を添加した後、さらに、鉛原子、及び第4有機溶媒を含有する第2溶液を添加して、第3溶液を調製し、
前記第3溶液を前記下地層の表面に塗布して、前記第3膜を形成する、<5>又は<6>に記載の圧電体素子の製造方法。
<7> In the PZT layer forming step,
A first solution is prepared by adding a titanium alkoxide compound, a zirconium alkoxide compound, a third organic solvent, and at least one of a monocarboxylic acid having 1 to 8 carbon atoms and a dicarboxylic acid having 2 to 8 carbon atoms. death,
After adding water to the first solution, a second solution containing a lead atom and a fourth organic solvent was further added to prepare a third solution.
The method for manufacturing a piezoelectric element according to <5> or <6>, wherein the third solution is applied to the surface of the base layer to form the third film.

<8> 前記圧電体層は、前記LNO層の表面に形成された前記チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるPZT層を含み、
チタンアルコキシド化合物と、ジルコニウムアルコキシド化合物と、第1有機溶媒と、炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方とを添加して、第1溶液を調製し、
前記第1溶液に、水を添加した後、さらに、鉛原子、及び第2有機溶媒を含有する第2溶液を添加して、第3溶液を調製し、
前記第3溶液を前記LNO層の表面に塗布して、鉛原子、チタン原子、ジルコニウム原子、及び第3有機溶媒を含む第3膜を形成し、
前記第3膜を、450℃以上600℃以下で加熱して、前記LNO層の表面に前記PZT層を形成するPZT層形成工程を含む、<1>~<4>のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
<8> The piezoelectric layer includes a PZT layer made of lead zirconate titanate ceramics formed on the surface of the LNO layer.
A first solution is prepared by adding a titanium alkoxide compound, a zirconium alkoxide compound, a first organic solvent, and at least one of a monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms and a dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms. death,
After adding water to the first solution, a second solution containing a lead atom and a second organic solvent is further added to prepare a third solution.
The third solution is applied to the surface of the LNO layer to form a third film containing a lead atom, a titanium atom, a zirconium atom, and a third organic solvent.
The item according to any one of <1> to <4>, which comprises a PZT layer forming step of heating the third film at 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower to form the PZT layer on the surface of the LNO layer. Method for manufacturing piezoelectric elements.

<9> 基板、第1電極層、圧電体層、及び第2電極層をこの順で備え、
前記第1電極層は、ニッケル酸ランタン系セラミックスからなるLNO層を有し、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるPZT層を有し、
下記式(1)で表される変動率Aが10%以下であり、
下記式(2)で表される変動率Bが10%以下である、圧電体素子。

Figure 2022041246000002

(式(1)中、[A]は、前記PZT層の厚み方向の断面を走査透過型電子顕微鏡(STEM-EDX)で前記厚み方向に沿って分析をした、前記LNO層の表面から前記厚み方向の前記第2電極層側に第1距離離れた第1位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)を示し、[AX+100]は、前記分析をした、前記第1位置から前記厚み方向の前記第2電極層側に100nm離れた第2位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)を示し、
式(2)中、[B]は、前記分析をした、前記第1位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)を示し、[BX+100]は、前記分析をした、前記第2位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)を示す。) <9> The substrate, the first electrode layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer are provided in this order.
The first electrode layer has an LNO layer made of lanthanum nickelate ceramics.
The piezoelectric layer has a PZT layer made of lead zirconate titanate ceramics.
The volatility A represented by the following equation (1) is 10% or less.
A piezoelectric element having a volatility B represented by the following equation (2) of 10% or less.
Figure 2022041246000002

In the formula (1), [ AX ] is obtained by analyzing the cross section of the PZT layer in the thickness direction with a scanning transmission electron microscope (STEM-EDX) along the thickness direction from the surface of the LNO layer. The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the first position separated by the first distance is shown on the second electrode layer side in the thickness direction, and [ AX + 100 ] indicates the thickness direction from the first position in which the analysis was performed. The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the second position separated by 100 nm is shown on the second electrode layer side of the above.
In the formula (2), [ BX ] indicates the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) of the first position of the analysis, and [ BX + 100 ] indicates the concentration ratio of the second position of the analysis. The concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) is shown. )

本開示の一実施形態によれば、CSD法によって、より低温で圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子を製造することができる圧電体素子の製造方法が提供される。
本開示の他の実施形態によれば、圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子が提供される。
According to one embodiment of the present disclosure, a method for manufacturing a piezoelectric element capable of producing a piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity at a lower temperature is provided by the CSD method.
According to another embodiment of the present disclosure, a piezoelectric device having excellent piezoelectricity and ferroelectricity is provided.

本開示の実施形態に係る圧電体素子の一態様の断面図である。It is sectional drawing of one aspect of the piezoelectric element which concerns on embodiment of this disclosure. チタンアルコキシドと、ジルコニウムアルコキシドと、部分安定化剤である酢酸との部分加水分解反応を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the partial hydrolysis reaction of titanium alkoxide, zirconium alkoxide, and acetic acid which is a partial stabilizer. 本開示の実施形態に係る圧電体素子の他の態様の断面図である。It is sectional drawing of another aspect of the piezoelectric element which concerns on embodiment of this disclosure. 実施例1、実施例2、比較例1、及び比較例5で得られたLNO層のX線回折パターン図である。6 is an X-ray diffraction pattern diagram of the LNO layer obtained in Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 5. 実施例1及び実施例2で得られた圧電体素子の特性(P-Eヒステリシスループ)の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the characteristic (PE hysteresis loop) of the piezoelectric element obtained in Example 1 and Example 2. FIG. 実施例3及び実施例4で得られた圧電体素子の特性(P-Eヒステリシスループ)の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the characteristic (PE hysteresis loop) of the piezoelectric element obtained in Example 3 and Example 4. FIG. 参考例1のPZT層の厚み方向の断面を走査透過型電子顕微鏡(STEM-EDX)でPZT層の厚み方向に沿って線分析をしたPZT層の厚み方向のLNO層の表面からの距離に対する濃度比(Ti濃度/Pb濃度)及び濃度比(Zr濃度/Pb濃度)の各々の変動を示すグラフである。The cross section of the PZT layer in the thickness direction of Reference Example 1 was scanned and line-analyzed along the thickness direction of the PZT layer with a scanning transmission electron microscope (STEM-EDX). It is a graph which shows the fluctuation of each of the ratio (Ti concentration / Pb concentration) and the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration). 参考例2のPZT層の厚み方向の断面をSTEM-EDXでPZT層の厚み方向に沿って線分析をしたPZT層の厚み方向のLNO層の表面からの距離に対する濃度比(Ti濃度/Pb濃度)及び濃度比(Zr濃度/Pb濃度)の各々の変動を示すグラフである。The cross section of the PZT layer in the thickness direction of Reference Example 2 was line-analyzed along the thickness direction of the PZT layer with STEM-EDX. ) And the fluctuation of the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration).

以下において、本開示の内容について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本開示の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本開示はそのような実施態様に限定されるものではない。
The contents of the present disclosure will be described in detail below.
The description of the constituents described below may be based on the representative embodiments of the present disclosure, but the present disclosure is not limited to such embodiments.

本開示の基板、第1電極層、圧電体層、及び第2電極層をこの順に備える圧電体素子の製造方法であって、第1電極層は、ニッケル酸ランタン系セラミックスからなるLNO層を有し、圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを有し、かつLNO層の表面に形成されており、ランタン原子、ニッケル原子、及び炭素数1以上4以下の有機溶媒を含む第1膜を、10℃/秒以上の昇温速度で450℃以上600℃以下の温度まで昇温し、この温度を保持して、LNO層を形成するLNO層形成工程を含む。 A method for manufacturing a piezoelectric element including the substrate, the first electrode layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer in this order of the present disclosure, wherein the first electrode layer has an LNO layer made of lanthanum nickelate ceramics. However, the piezoelectric layer has lead zirconate titanate-based ceramics and is formed on the surface of the LNO layer, and is a first film containing a lanthanum atom, a nickel atom, and an organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms. The temperature is increased to 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower at a heating rate of 10 ° C./sec or higher, and this temperature is maintained to form an LNO layer forming step.

これにより、CSD法によって、より低温で圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子を製造することができる。これは、下記の理由によると推測される。
従来、LNO前駆体を高温(例えば、700℃)の結晶化温度で焼成することで、(100)方向に高配向したLNOが得られることが報告されていた。そのため、従来のLNO前駆体溶液の調製では、LNO前駆体を高温の第1結晶化温度で焼成するために、側鎖が大きい溶媒を用いてLNO前駆体を熱的に安定化させていた。具体的に、側鎖が大きい溶媒として、2-メトキシエタノール及び2-アミノエタノールを用いていた。これらの溶媒は、LNO前駆体溶液の調製過程で、例えば、硝酸ランタン、及び酢酸ニッケルとアルコール交換反応を起こして、熱的に安定なLNO前駆体を生成させる。この熱的に安定なLNO前駆体の側鎖の熱分解を促進させるために、700℃以上の第1結晶化温度でLNO前駆体を焼成していた。そうすることで、(100)方向に高配向したLNOが得られた。
一方、本開示では、LNO前駆体を急速昇温(10℃/秒以上)で加熱することで、短時間の間、LNO前駆体を高温に曝す。更に、第1実施形態では、従来の溶媒よりも側鎖が小さい炭素数1以上4以下の有機溶媒を用いる。そのため、従来よりも低温の第1結晶化温度でLNO前駆体の側鎖の熱分解は促進され得る。つまり、本開示では、炭素数1以上4以下の有機溶媒を用い、かつ10℃/秒以上の昇温速度でLNO前駆体を加熱することで、従来よりも低温の結晶化温度でLNO前駆体溶液を焼成しても、(100)方向に高配向したLNO系セラミックス膜が得られる。これにより、LNO系セラミックス膜の高配向性と低温結晶化は実現される。
This makes it possible to manufacture a piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity at a lower temperature by the CSD method. This is presumed to be due to the following reasons.
Conventionally, it has been reported that by firing an LNO precursor at a crystallization temperature of a high temperature (for example, 700 ° C.), an LNO highly oriented in the (100) direction can be obtained. Therefore, in the preparation of the conventional LNO precursor solution, in order to calcin the LNO precursor at the high temperature of the first crystallization temperature, the LNO precursor is thermally stabilized by using a solvent having a large side chain. Specifically, 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol were used as solvents having a large side chain. These solvents undergo an alcohol exchange reaction with, for example, lanthanum nitrate and nickel acetate in the process of preparing the LNO precursor solution to produce a thermally stable LNO precursor. In order to promote the thermal decomposition of the side chain of this thermally stable LNO precursor, the LNO precursor was calcined at a first crystallization temperature of 700 ° C. or higher. By doing so, an LNO highly oriented in the (100) direction was obtained.
On the other hand, in the present disclosure, the LNO precursor is exposed to a high temperature for a short period of time by heating the LNO precursor at a rapid temperature rise (10 ° C./sec or more). Further, in the first embodiment, an organic solvent having a side chain smaller than that of the conventional solvent and having 1 or more and 4 or less carbon atoms is used. Therefore, the thermal decomposition of the side chain of the LNO precursor can be promoted at the first crystallization temperature lower than the conventional one. That is, in the present disclosure, the LNO precursor is heated at a crystallization temperature lower than the conventional one by using an organic solvent having 1 or more carbon atoms and 4 or less carbon atoms and heating the LNO precursor at a heating rate of 10 ° C./sec or more. Even if the solution is fired, an LNO-based ceramic film highly oriented in the (100) direction can be obtained. As a result, high orientation and low temperature crystallization of the LNO-based ceramic film are realized.

本開示の圧電体素子は、基板、第1電極層、圧電体層、及び第2電極層をこの順で備え、第1電極層は、ニッケル酸ランタン系セラミックスからなるLNO層を有し、圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるPZT層を有し、下記式(1)で表される変動率Aが10%以下であり、下記式(2)で表される変動率Bが10%以下である。

Figure 2022041246000003

(式(1)中、[A]は、前記PZT層の厚み方向の断面を走査透過型電子顕微鏡(STEM-EDX)で前記厚み方向に沿って分析をした、前記LNO層の表面から前記厚み方向の前記第2電極層側に第1距離離れた第1位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)を示し、[AX+100]は、前記分析をした、前記第1位置から前記厚み方向の前記第2電極層側に100nm離れた第2位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)を示し、
式(2)中、[B]は、前記分析をした、前記第1位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)を示し、[BX+100]は、前記分析をした、前記第2位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)を示す。) The piezoelectric element of the present disclosure includes a substrate, a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer in this order, and the first electrode layer has an LNO layer made of lanthanum nickelate ceramics and is piezoelectric. The body layer has a PZT layer made of lead zirconate titanate ceramics, the fluctuation rate A represented by the following formula (1) is 10% or less, and the fluctuation rate B represented by the following formula (2). Is 10% or less.
Figure 2022041246000003

In the formula (1), [ AX ] is obtained by analyzing the cross section of the PZT layer in the thickness direction with a scanning transmission electron microscope (STEM-EDX) along the thickness direction from the surface of the LNO layer. The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the first position separated by the first distance is shown on the second electrode layer side in the thickness direction, and [ AX + 100 ] indicates the thickness direction from the first position in which the analysis was performed. The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the second position separated by 100 nm is shown on the second electrode layer side of the above.
In the formula (2), [ BX ] indicates the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) of the first position of the analysis, and [ BX + 100 ] indicates the concentration ratio of the second position of the analysis. The concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) is shown. )

これにより、本開示の圧電体素子は、圧電性及び強誘電性に優れる。 As a result, the piezoelectric element of the present disclosure is excellent in piezoelectricity and ferroelectricity.

以下、図面を参照して、本開示に係る金属部材、金属樹脂複合体、及び金属部材の製造方法の実施形態について説明する。また、図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the metal member, the metal resin composite, and the method for manufacturing the metal member according to the present disclosure will be described with reference to the drawings. Further, in the figure, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals and the description is not repeated.

(1)第1実施形態
本開示の第1実施形態に係る圧電体素子1及び圧電体素子1の製造方法について説明する
(1) First Embodiment A method for manufacturing the piezoelectric element 1 and the piezoelectric element 1 according to the first embodiment of the present disclosure will be described.

(1.1)圧電体素子
まず、図1を参照して、第1圧電体素子1について説明する。図1は、本開示の第1実施形態に係る圧電体素子1の断面図である。
(1.1) Piezoelectric element First, the first piezoelectric element 1 will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a cross-sectional view of the piezoelectric element 1 according to the first embodiment of the present disclosure.

圧電体素子1は、図1に示すように、基板11と、第1電極層12と、圧電体層13と、第2電極層14とを備える。基板11、第1電極層12、圧電体層13、及び第2電極層14は、この順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the piezoelectric element 1 includes a substrate 11, a first electrode layer 12, a piezoelectric layer 13, and a second electrode layer 14. The substrate 11, the first electrode layer 12, the piezoelectric layer 13, and the second electrode layer 14 are laminated in this order.

(1.1.1)基板
基板11としては、ガラス基板、半導体単結晶基板、金属基板、セラミックス基板、耐熱性プラスチック基板等が挙げられる。ガラス基板の材料としては、例えば、アミノシリケートガラス、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス等が挙げられる。半導体単結晶基板の材料としては、例えば、シリコン、酸化マグネシウム、Sr又はLaをドープしたチタン酸ストロンチウム等が挙げられる。金属基板の材料としては、例えば、ステンレス、チタン、アルミニウム、マグネシウム等が挙げられる。セラミックス基板の材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア等が挙げられる。基板11のサイズ等は、圧電体素子1の用途等に応じて適宜調製される。
(1.1.1) Substrate Examples of the substrate 11 include a glass substrate, a semiconductor single crystal substrate, a metal substrate, a ceramics substrate, a heat-resistant plastic substrate, and the like. Examples of the material of the glass substrate include aminosilicate glass, quartz glass, borosilicate glass and the like. Examples of the material of the semiconductor single crystal substrate include silicon, magnesium oxide, strontium titanate doped with Sr or La, and the like. Examples of the material of the metal substrate include stainless steel, titanium, aluminum, magnesium and the like. Examples of the material of the ceramic substrate include alumina, zirconia and the like. The size of the substrate 11 and the like are appropriately adjusted according to the application of the piezoelectric element 1 and the like.

(1.1.2)第1電極層
第1実施形態では、第1電極層12は、ニッケル酸ランタン系セラミックスからなるLNO層12aからなる。
(1.1.2) First Electrode Layer In the first embodiment, the first electrode layer 12 is made of an LNO layer 12a made of lanthanum nickelate ceramics.

ニッケル酸ランタン系セラミックスは、ニッケル酸ランタン(LaNiO)(以下、「LNO」という。)を主成分とする。主成分とは、ニッケル酸ランタン系セラミックスを構成する全成分に対する割合が60質量%以上である成分をいう。 Lanthanum nickelate ceramics contain lanthanum nickelate (LaNiO 3 ) (hereinafter referred to as "LNO") as a main component. The main component means a component having a ratio of 60% by mass or more to all the components constituting the lanthanum nickelate ceramics.

LNOは、R-3c(「-3」は3の上にバーを付した記号)の空間群を有し、菱面体に歪んだペロブスカイト型構造(菱面体晶系:a0=5.461Å(a0=ap)、α=60°、擬立方晶系:a0=3.84Å)を有する。LNOは、抵抗率が1×10-3(Ω・cm、300K)で、金属的電気伝導性を有する酸化物である。LNOでは、温度が変化しても金属-絶縁体転移は起こらない。 LNO has a space group of R-3c (“-3” is a symbol with a bar on top of 3), and has a perovskite-type structure distorted into a rhombohedron (rhombohedral crystal system: a0 = 5.461Å (a0). = Ap), α = 60 °, pseudo-cubic system: a0 = 3.84 Å). LNO is an oxide having a resistivity of 1 × 10 -3 (Ω · cm, 300K) and having metallic electrical conductivity. In LNO, the metal-insulator transition does not occur even if the temperature changes.

ニッケル酸ランタン系セラミックスは、LNOのみならず、LNOのニッケルの一部を他の金属(以下、「置換金属」という。)で置換したセラミックスを含む。置換金属は、鉄、アルミニウム、マンガン、及びコバルトからなる群から選択された少なくとも1種の金属を含む。LNOのニッケルの一部を置換金属で置換したセラミックスとしては、例えば、鉄で置換したLaNiO-LaFeO、アルミニウムで置換したLaNiO-LaAlO、マンガンで置換したLaNiO-LaMnO、コバルトで置換したLaNiO-LaCoO等が挙げられる。LNOのニッケルの一部は、2種類以上の置換金属で置換されていてもよい。 The lanthanum nickelate-based ceramics include not only LNO but also ceramics in which a part of nickel in LNO is replaced with another metal (hereinafter, referred to as “substituent metal”). Substituent metals include at least one metal selected from the group consisting of iron, aluminum, manganese, and cobalt. Examples of the ceramics in which a part of nickel of LNO is replaced with a substituted metal include LaNiO 3 -LaFeO 3 substituted with iron, LaNiO 3 -LaAlO 3 substituted with aluminum, LaNiO 3 -LaMnO 3 substituted with manganese, and cobalt. Examples thereof include substituted LaNiO 3 -LaCoO 3 . A part of nickel in LNO may be substituted with two or more kinds of substituted metals.

第1電極層12の膜厚は、圧電体素子1の用途等に応じて適宜調製され、好ましくは0.1μm以上0.4μm以下である。 The film thickness of the first electrode layer 12 is appropriately adjusted according to the intended use of the piezoelectric element 1, and is preferably 0.1 μm or more and 0.4 μm or less.

(1.1.3)圧電体層
第1実施形態では、圧電体層13は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるPZT層13aからなる。
(1.1.3) Piezoelectric layer In the first embodiment, the piezoelectric layer 13 is made of a PZT layer 13a made of lead zirconate titanate-based ceramics.

チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛(以下、「PZT」という。)を主成分とする。主成分とは、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを構成する全成分に対する割合が80質量%以上である成分をいう。 Lead zirconate titanate-based ceramics contain lead zirconate titanate (hereinafter referred to as "PZT") as a main component. The main component means a component having a ratio of 80% by mass or more to all the components constituting the lead zirconate titanate ceramics.

PZTは、一般式Pb(ZrTi1-x)O(0.4<x<1))で表される。PZTのチタン原子に対するジルコニウム原子の割合(Zr/Ti)は、モル比で、好ましくは67%(40/60)以上233%(70/30)以下、さらに好ましくは67%(40/60)以上150%(60/40)以下である。PZTのチタンに対するジルコニウムの割合(Zr/Ti)は、圧電体素子1の圧電性及び強誘電性を向上させる観点から、特に好ましくは、正方晶系と菱面体晶系との境界(モルフォトロピック相境界)付近の組成となる108%(52/48)である。 PZT is represented by the general formula Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (0.4 <x <1)). The ratio of zirconium atom to titanium atom (Zr / Ti) of PZT is preferably 67% (40/60) or more and 233% (70/30) or less, more preferably 67% (40/60) or more in terms of molar ratio. It is 150% (60/40) or less. The ratio of zirconium to titanium (Zr / Ti) in PZT is particularly preferably the boundary between the tetragonal system and the rhombic crystal system (molphotolopic phase) from the viewpoint of improving the piezoelectricity and ferroelectricity of the piezoelectric element 1. The composition is 108% (52/48) near the boundary).

PZT層13aは、その厚み方向における組成分布が均一であることが好ましい。これにより、圧電体素子1は、その厚み方向における組成分布が均一でない構成よりも圧電性及び強誘電性が優れる。
具体的に、下記式(1)で表される変動率Aが10%以下であり、下記式(2)で表される変動率Bが10%以下であることが好ましい。変動率A及び変動率Bの各々が、10%以下であれば、PZT層13aの厚み方向における組成分布が均一であるとみなすことができる。

Figure 2022041246000004
It is preferable that the composition distribution of the PZT layer 13a in the thickness direction is uniform. As a result, the piezoelectric element 1 is superior in piezoelectricity and ferroelectricity to a configuration in which the composition distribution in the thickness direction is not uniform.
Specifically, it is preferable that the volatility A represented by the following formula (1) is 10% or less, and the volatility B represented by the following formula (2) is 10% or less. If each of the volatility A and the volatility B is 10% or less, it can be considered that the composition distribution of the PZT layer 13a in the thickness direction is uniform.
Figure 2022041246000004

式(1)中、[A]は、PZT層13aの厚み方向の断面を走査透過型電子顕微鏡(STEM-EDX)でPZT層13aの厚み方向に沿って分析された、第1位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)を示す。第1位置は、LNO層12aの表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に第1距離離れた位置を示す。
式(1)中、[AX+100]は、PZT層13aの厚み方向の断面をSTEM-EDXでPZT層13aの厚み方向に沿って分析された、第2位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)を示す。第2位置は、第1位置からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に100nm離れた位置を示す。
式(2)中、[B]は、PZT層13aの厚み方向の断面をSTEM-EDXでPZT層13aの厚み方向に沿って分析された、第1位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)を示す。
式(2)中、[BX+100]は、PZT層13aの厚み方向の断面をSTEM-EDXでPZT層13aの厚み方向に沿って分析された、第2位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)を示す。
In formula (1), [ AX ] is the concentration at the first position obtained by analyzing the cross section of the PZT layer 13a in the thickness direction with a scanning transmission electron microscope (STEM-EDX) along the thickness direction of the PZT layer 13a. The ratio (Ti concentration / Pb concentration) is shown. The first position indicates a position one distance away from the surface S12 of the LNO layer 12a on the side of the second electrode layer 14 in the thickness direction of the PZT layer 13a.
In the formula (1), in [ AX + 100 ], the cross section of the PZT layer 13a in the thickness direction was analyzed by STEM-EDX along the thickness direction of the PZT layer 13a, and the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) at the second position was analyzed. ) Is shown. The second position indicates a position 100 nm away from the first position on the side of the second electrode layer 14 in the thickness direction of the PZT layer 13a.
In the formula (2), [ BX ] is a concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) at the first position obtained by analyzing a cross section of the PZT layer 13a in the thickness direction by STEM-EDX along the thickness direction of the PZT layer 13a. ) Is shown.
In the formula (2), in [ BX + 100 ], the cross section of the PZT layer 13a in the thickness direction was analyzed by STEM-EDX along the thickness direction of the PZT layer 13a, and the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) at the second position was analyzed. ) Is shown.

第1距離は、特に限定されず、好ましくは300nm以上600nm以下である。第1距離が300nm以上600nm以下であることは、変動率A及び変動率Bは、基板11近傍のPZT層13aの組成の変動を示す。特に、基板11近傍の変動率A及び変動率Bが10%以下であれば、PZT層13aの厚み方向における組成分布が均一であるとみなすことができる。
変動率Aは、好ましくは10%以下、より好ましくは8%以下であり、圧電体素子1により優れる圧電性及び強誘電性を発現させる観点から低いほど好ましい。変動率bは、好ましくは10%以下、より好ましくは8%以下であり、圧電体素子1により優れる圧電性及び強誘電性を発現させる観点から低いほど好ましい。
The first distance is not particularly limited, and is preferably 300 nm or more and 600 nm or less. When the first distance is 300 nm or more and 600 nm or less, the volatility A and the volatility B indicate the variation in the composition of the PZT layer 13a in the vicinity of the substrate 11. In particular, when the volatility A and the volatility B in the vicinity of the substrate 11 are 10% or less, it can be considered that the composition distribution of the PZT layer 13a in the thickness direction is uniform.
The volatility A is preferably 10% or less, more preferably 8% or less, and the lower the volatility A, the more preferable it is from the viewpoint of exhibiting superior piezoelectricity and ferroelectricity to the piezoelectric element 1. The volatility b is preferably 10% or less, more preferably 8% or less, and the lower the volatility b, the more preferable it is from the viewpoint of exhibiting superior piezoelectricity and ferroelectricity to the piezoelectric element 1.

このような厚み方向における組成分布が均一であるPZT層13aは、その製造工程において、例えば、後述する部分加水分解法を用いたPZT前駆体溶液を用いることで得られる。 The PZT layer 13a having a uniform composition distribution in the thickness direction can be obtained, for example, by using a PZT precursor solution using the partial hydrolysis method described later in the manufacturing process thereof.

チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスは、PZTのみならず、PZTを主成分とし、Sr、Nb、及びAlからなる群から選択された少なくとも1種の金属を微量添加したセラミックス、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)及び亜鉛ニオブ酸鉛(PZN)の少なくとも一方を含有するセラミックスを含有してもよい。 Lead zirconate titanate ceramics are not only PZT but also lead magnesium niobate (PMN), which is a ceramic containing PZT as a main component and a small amount of at least one metal selected from the group consisting of Sr, Nb, and Al. ) And lead zirconate tit (PZN) may contain ceramics containing at least one of them.

圧電体層13の膜厚は、圧電体素子1の用途等に応じて適宜調製され、好ましくは0.5μm以上5.0μm以下である。 The film thickness of the piezoelectric layer 13 is appropriately adjusted according to the intended use of the piezoelectric element 1, and is preferably 0.5 μm or more and 5.0 μm or less.

正方晶系のPZTは、バルクセラミックスの値でa=b=4.036Å、c=4.146Åの格子定数を有する材料である。そのため、a=3.84Åの格子定数を有する擬立方晶構造のLNOは、PZTの(001)面および(100)面との格子マッチングが良好である。 The tetragonal PZT is a material having a lattice constant of a = b = 4.036 Å and c = 4.146 Å in terms of bulk ceramics. Therefore, the LNO having a pseudo-cubic structure having a lattice constant of a = 3.84 Å has good lattice matching with the (001) plane and the (100) plane of PZT.

格子マッチングとは、PZTの単位格子とLNOの単位格子との格子整合性を示す。一般的に、ある種の結晶面が表面に露出している場合、その結晶格子と、その表面に成膜する膜の結晶格子とがマッチングしようとする力が働き、界面でエピタキシャルな結晶核を形成しやすいことが知られている。 The lattice matching indicates the lattice consistency between the unit cell of PZT and the unit cell of LNO. In general, when a certain crystal plane is exposed on the surface, a force that tries to match the crystal lattice with the crystal lattice of the film formed on the surface acts to form an epitaxial crystal nucleus at the interface. It is known to be easy to form.

PZT層13aの主配向面である(001)面および(100)面と、LNO層12aの主配向面S12との格子定数の差が絶対値で±10%以内であることが好ましい。格子定数の差がこの範囲内にあれば、PZT層13aの(001)面又は(100)面のいずれかの面の配向性を高くすることができる。そして、LNO層12aとPZT層13aの界面S12でエピタキシャルな結晶核を形成することができる。なお、格子マッチングによる配向制御において、(001)面及び(100)面のいずれかに選択的に配向した膜を実現することは困難である。 It is preferable that the difference in lattice constant between the (001) plane and the (100) plane, which are the main orientation planes of the PZT layer 13a, and the main orientation plane S12 of the LNO layer 12a is within ± 10% in absolute value. If the difference in lattice constant is within this range, the orientation of either the (001) plane or the (100) plane of the PZT layer 13a can be increased. Then, an epitaxial crystal nucleus can be formed at the interface S12 between the LNO layer 12a and the PZT layer 13a. In the orientation control by lattice matching, it is difficult to realize a film selectively oriented to either the (001) plane or the (100) plane.

LNOは後述する製造方法により作製することで、種々の基板の表面に擬立方晶系の(100)面に優先配向した膜を実現することができる。したがって、LNO層12aは、第1電極層12としての働きだけではなく、PZT層13aの配向制御層として機能する。このことから(100)面に配向したLNOの表面(格子定数:3.84Å)と格子マッチングのよい、PZT(格子定数:a=4.036、c=4.146Å)の(001)面または(100)面が選択的に生成する。 By producing LNO by the production method described later, it is possible to realize a film preferentially oriented to the (100) plane of a pseudo-cubic system on the surface of various substrates. Therefore, the LNO layer 12a not only functions as the first electrode layer 12, but also functions as the orientation control layer of the PZT layer 13a. From this, the (001) plane of PZT (lattice constant: a = 4.036, c = 4.146 Å) having good lattice matching with the surface of LNO oriented to the (100) plane (lattice constant: 3.84 Å) or (100) Surfaces are selectively generated.

(1.1.4)第2電極層
第2電極層14の材質は、導電性材料であればよく、金属、導電性金属酸化物等が挙げられる。金属としては、例えば、金、銀、白金、イリジウム、ルテニウム等が挙げられる。導電性金属酸化物としては、スズドープ酸化インジウム(ITO)、酸化亜鉛、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、酸化スズ、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、ニオビウムドープ酸化チタン(TNO)等が挙げられる。第2電極層14の膜厚は、圧電体素子1の用途等に応じて適宜調製すればよく、好ましくは0.1μm以上0.4μm以下である。
(1.1.4) Second Electrode Layer The material of the second electrode layer 14 may be any conductive material, and examples thereof include a metal and a conductive metal oxide. Examples of the metal include gold, silver, platinum, iridium, ruthenium and the like. Examples of the conductive metal oxide include tin-doped indium oxide (ITO), zinc oxide, gallium-doped zinc oxide (GZO), aluminum-doped zinc oxide (AZO), tin oxide, antimony-doped tin oxide (ATO), and fluorine-doped tin oxide (TO). FTO), niobium-doped titanium oxide (TNO) and the like. The film thickness of the second electrode layer 14 may be appropriately adjusted according to the intended use of the piezoelectric element 1, and is preferably 0.1 μm or more and 0.4 μm or less.

(1.1.5)圧電体素子の用途
圧電体素子1は、各種電子機器に用いるセンサ、アクチュエータ、光学デバイス、マイクロポンプ、セラミックコンデンサ、強誘電体メモリ等に好適に用いられる。センサとしては、角速度センサ、赤外線センサ等が挙げられる。アクチュエータとしては、例えば、圧電アクチュエータ、超音波モータ等が挙げられる。光学デバイスとしては、光導波路、光スイッチ等が挙げられる。
特に第1実施形態では、後述するように、製造工程において、基板11の熱履歴の温度が550℃以下となり得る。そのため、基材11として、従来の圧電体素子には用いられなかったアミノシリケートガラス板が用いられ得る。これにより、圧電体素子1は、スマートフォンのタッチパネル等の透明電子部材に好適に用いられる。
(1.1.5) Applications of Piezoelectric Element The piezoelectric element 1 is suitably used for sensors, actuators, optical devices, micropumps, ceramic capacitors, ferroelectric memories and the like used in various electronic devices. Examples of the sensor include an angular velocity sensor and an infrared sensor. Examples of the actuator include a piezoelectric actuator, an ultrasonic motor, and the like. Examples of the optical device include an optical waveguide and an optical switch.
In particular, in the first embodiment, as will be described later, the temperature of the thermal history of the substrate 11 can be 550 ° C. or lower in the manufacturing process. Therefore, as the base material 11, an aminosilicate glass plate, which has not been used in the conventional piezoelectric element, can be used. As a result, the piezoelectric element 1 is suitably used for a transparent electronic member such as a touch panel of a smartphone.

(1.2)圧電体素子の製造方法
次に、図2を参照して、第1実施形態に係る圧電体素子1の製造方法について説明する。
(1.2) Method for Manufacturing a Piezoelectric Device Next, a method for manufacturing the piezoelectric device 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 2.

第1実施形態に係る圧電体素子1の製造方法は、第1電極層形成工程と、圧電体層形成工程と、第2電極層形成工程とを含む。第1電極層形成工程、圧電体層形成工程、及び第2電極層形成工程は、この順で実行される。これにより、第1実施形態に係る圧電体素子1が得られる。 The method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to the first embodiment includes a first electrode layer forming step, a piezoelectric layer forming step, and a second electrode layer forming step. The first electrode layer forming step, the piezoelectric layer forming step, and the second electrode layer forming step are executed in this order. As a result, the piezoelectric element 1 according to the first embodiment is obtained.

(1.2.1)第1電極層形成工程
第1実施形態では、第1電極層形成工程は、第1溶液調製工程と、第1塗布工程と、第1乾燥工程と、第1仮焼工程と、第1本焼成工程とを有する。第1溶液調製工程、第1塗布工程、第1乾燥工程、第1仮焼工程、及び第1本焼成工程は、この順に実行される。これにより、基板11の表面にLNO層12aからなる第1電極層12が形成される。以下、第1電極層形成工程を「LNO層形成工程」という場合がある。
(1.2.1) First Electrode Layer Forming Step In the first embodiment, the first electrode layer forming step includes a first solution preparation step, a first coating step, a first drying step, and a first calcining step. It has a step and a first firing step. The first solution preparation step, the first coating step, the first drying step, the first calcining step, and the first firing step are executed in this order. As a result, the first electrode layer 12 made of the LNO layer 12a is formed on the surface of the substrate 11. Hereinafter, the first electrode layer forming step may be referred to as an “LNO layer forming step”.

(1.2.1.1)第1溶液調製工程
第1溶液調製工程では、LNO層12aの原料となるLNO前駆体溶液を調製する。LNO前駆体溶液は、ランタン化合物、ニッケル化合物、及び炭素数1以上4以下の有機溶媒を少なくとも添加して、調製される。
(1.2.1.1) First solution preparation step In the first solution preparation step, an LNO precursor solution as a raw material for the LNO layer 12a is prepared. The LNO precursor solution is prepared by adding at least a lanthanum compound, a nickel compound, and an organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms.

ランタン化合物としては、例えば、硝酸ランタン、塩化ランタン、ランタンカルボン酸塩、ランタンアルコキシド等が挙げられる。ランタンカルボン酸塩としては、例えば、酢酸ランタン、オクチル酸ランタン、2-エチルヘキサン酸ランタン等が挙げられる。ランタンアルコキシドとしては、例えば、ランタンイソプロポキシド、ランタンブトキシド、ランタンエトキシド、ランタンメトキシエトキシド等が挙げられる。なかでも、ランタン化合物としては、硝酸ランタンが好ましい。 Examples of the lanthanum compound include lanthanum nitrate, lanthanum chloride, lanthanum carboxylate, and lanthanum alkoxide. Examples of the lanthanum carboxylate include lanthanum acetate, lanthanum octylate, and lanthanum 2-ethylhexanoate. Examples of the lanthanum alkoxide include lanthanum isopropoxide, lanthanum butoxide, lanthanum ethoxydo, lanthanum methoxyethoxydo and the like. Among them, lanthanum nitrate is preferable as the lanthanum compound.

ニッケル化合物としては、例えば、硝酸ニッケル、塩化ニッケル、ニッケルカルボン酸塩、ニッケルアルコキシド等が挙げられる。ニッケルカルボン酸塩としては、例えば、酢酸ニッケル、オクチル酸ニッケル、2-エチルヘキサン酸ニッケル等が挙げられる。ニッケルアルコキシドとしては、例えば、ニッケルイソプロポキシド、ニッケルブトキシド、ニッケルエトキシド、ニッケルメトキシエトキシド等が挙げられる。なかでも、ニッケル化合物としては、酢酸ニッケルが好ましい。 Examples of the nickel compound include nickel nitrate, nickel chloride, nickel carboxylate, nickel alkoxide and the like. Examples of the nickel carboxylate include nickel acetate, nickel octylate, nickel 2-ethylhexanoate and the like. Examples of the nickel alkoxide include nickel isopropoxide, nickel butoxide, nickel ethoxyde, nickel methoxyethoxydo and the like. Among them, nickel acetate is preferable as the nickel compound.

炭素数1以上4以下の有機溶媒は、ランタン化合物及びニッケル化合物の各々に対する溶解度が高く、低温(例えば、300℃)で熱分解する有機溶媒であることが好ましい。具体的に、炭素数1以上4以下の有機溶媒としては、例えば、炭素数1以上4以下のアルコール、炭素数1以上4以下のエーテル等が挙げられる。炭素数1以上4以下のアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、プロパノール等が挙げられる。炭素数1以上4以下のエーテルとしては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル等が挙げられる。これらの炭素数1以上4以下の有機溶媒は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。なかでも、炭素数1以上4以下の有機溶媒としては、アルコールが好ましく、エタノールがより好ましい。炭素数1以上4以下の有機溶媒の添加量は、ランタン化合物及びニッケル化合物の合計100質量部に対して、好ましくは400質量部以上2000質量部以下、より好ましくは500質量部以上2000質量部以下である。 The organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms is preferably an organic solvent having high solubility in each of the lanthanum compound and the nickel compound and thermally decomposing at a low temperature (for example, 300 ° C.). Specifically, examples of the organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms include alcohols having 1 or more and 4 or less carbon atoms, ethers having 1 or more and 4 or less carbon atoms, and the like. Examples of the alcohol having 1 or more and 4 or less carbon atoms include methanol, ethanol, butanol, propanol and the like. Examples of the ether having 1 or more and 4 or less carbon atoms include dimethyl ether and diethyl ether. These organic solvents having 1 or more and 4 or less carbon atoms may be used alone or in combination of two or more. Among them, alcohol is preferable, and ethanol is more preferable as the organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms. The amount of the organic solvent added having 1 to 4 carbon atoms is preferably 400 parts by mass or more and 2000 parts by mass or less, more preferably 500 parts by mass or more and 2000 parts by mass or less, based on 100 parts by mass of the total of the lanthanum compound and the nickel compound. Is.

LNO前駆体溶液は、炭素数1以上4以下の有機溶媒とは異なる他の有機溶媒を含有してもよい。他の有機溶媒としては、2-メトキシエタノール、2-アミノエタノール等が挙げられる。これらの他の有機溶媒は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。なかでも、LNO前駆体溶液は、2-メトキシエタノール、及び2-アミノエタノールの少なくとも一方を含有することが好ましい。LNO前駆体溶液が2-メトキシエタノール、及び2-アミノエタノールの少なくとも一方を含有することで、圧電性及び強誘電性がより優れる圧電体素子1が得られる。他の有機溶媒の混合割合は、炭素数1以上4以下の有機溶媒100質量部に対して、好ましくは5質量部以上30質量部以下である。 The LNO precursor solution may contain another organic solvent different from the organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms. Examples of other organic solvents include 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol. These other organic solvents may be used alone or in combination of two or more. Among them, the LNO precursor solution preferably contains at least one of 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol. When the LNO precursor solution contains at least one of 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol, the piezoelectric element 1 having more excellent piezoelectricity and ferroelectricity can be obtained. The mixing ratio of the other organic solvent is preferably 5 parts by mass or more and 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms.

(1.2.1.2)第1塗布工程
第1塗布工程では、LNO前駆体溶液を基材11の表面に塗布する。これにより、基材11の表面にLNO塗布膜が形成される。LNO塗布膜は、ランタン原子、ニッケル原子、及び炭素数1以上4以下の有機溶媒を含む。LNO塗布膜は、第1膜の一例である。
LNO塗布膜の塗布方法は、特に限定されず、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法等が挙げられる。スピンコート法では、単位時間当たりの回転数を制御することで、LNO塗布膜の膜厚が基板11の表面に均一な薄膜を均一に塗布することができる。例えば、基板11の回転速度を早くすることで膜厚を薄くすることができる。また、ディップコート法では、基板11の引き上げ速度を速くすることで膜厚を薄くすることができる。
(1.2.1.2) First coating step In the first coating step, the LNO precursor solution is coated on the surface of the base material 11. As a result, an LNO coating film is formed on the surface of the base material 11. The LNO coating film contains a lanthanum atom, a nickel atom, and an organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms. The LNO coating film is an example of the first film.
The method for applying the LNO coating film is not particularly limited, and examples thereof include a spin coating method, a dip coating method, and a spray coating method. In the spin coating method, by controlling the number of rotations per unit time, a thin film having a uniform film thickness of the LNO coating film can be uniformly applied to the surface of the substrate 11. For example, the film thickness can be reduced by increasing the rotation speed of the substrate 11. Further, in the dip coating method, the film thickness can be reduced by increasing the pulling speed of the substrate 11.

LNO塗布膜の膜厚は、好ましくは0.1μm以上0.3μm以下である。 The film thickness of the LNO coating film is preferably 0.1 μm or more and 0.3 μm or less.

(1.2.1.3)第1乾燥工程
第1乾燥工程では、LNO塗布膜を乾燥させる。これにより、得られるLNO層12a中の物理吸着水分は除去され得る。乾燥温度は、好ましくは100℃超200℃未満である。
(1.2.1.3) First drying step In the first drying step, the LNO coating film is dried. Thereby, the physically adsorbed water in the obtained LNO layer 12a can be removed. The drying temperature is preferably more than 100 ° C and less than 200 ° C.

(1.2.1.4)第1仮焼工程
第1仮焼工程では、LNO塗布膜を仮焼する。これにより、得られるLNO層12a中に有機成分が残留することを抑制し得る。仮焼温度は、好ましくは200℃以上400℃未満である。
(1.2.1.4) First calcining step In the first calcining step, the LNO coating film is calcined. Thereby, it is possible to suppress the organic component from remaining in the obtained LNO layer 12a. The calcination temperature is preferably 200 ° C. or higher and lower than 400 ° C.

(1.2.1.5)第1本焼成工程
第1本焼成工程では、急速加熱炉(RTA:Rapid Thermal Annealing)を用いて、LNO塗布膜を10℃/秒以上の昇温速度で450℃以上600℃以下の温度(以下、「第1結晶化温度」という。)まで昇温し、第1結晶化温度を保持して、LNOの結晶化を行う。これにより、(100)面方向に高配向したLNO層12aが得られる。これは、下記の理由によると推測される。
すなわち、LNO前駆体を高温(例えば、700℃)の第1結晶化温度で焼成することで、(100)方向に高配向したLNOが得られることが報告されていた。そのため、従来のLNO前駆体溶液の調製では、LNO前駆体を高温の第1結晶化温度で焼成するために、側鎖が大きい溶媒を用いてLNO前駆体を熱的に安定化させていた。具体的に、側鎖が大きい溶媒として、2-メトキシエタノール及び2-アミノエタノールを用いていた。これらの溶媒は、LNO前駆体溶液の調製過程で、例えば、硝酸ランタン、及び酢酸ニッケルとアルコール交換反応を起こして、熱的に安定なLNO前駆体を生成させる。この熱的に安定なLNO前駆体の側鎖の熱分解を促進させるために、700℃以上の第1結晶化温度でLNO前駆体を焼成していた。そうすることで、(100)方向に高配向したLNOが得られた。
一方、第1実施形態では、LNO前駆体を急速昇温(10℃/秒以上)で加熱することで、短時間の間、LNO前駆体を高温に曝す。更に、第1実施形態では、従来の溶媒よりも側鎖が小さい炭素数1以上4以下の有機溶媒を用いる。そのため、従来よりも低温の第1結晶化温度でLNO前駆体の側鎖の熱分解は促進され得る。つまり、第1実施形態では、炭素数1以上4以下の有機溶媒を用い、かつ10℃/秒以上の昇温速度でLNO前駆体を加熱することで、従来よりも低温の第1結晶化温度でLNO前駆体溶液を焼成しても、(100)方向に高配向したLNO系セラミックス膜が得られる。これにより、LNO系セラミックス膜の高配向性と低温結晶化は実現される。
(1.2.1.5) First firing step In the first firing step, an LNO coated film is heated at a heating rate of 10 ° C./sec or more using a rapid heating furnace (RTA) (RTA) to 450. The temperature is raised to a temperature of ° C. or higher and 600 ° C. or lower (hereinafter, referred to as “first crystallization temperature”), the first crystallization temperature is maintained, and LNO is crystallized. As a result, the LNO layer 12a highly oriented in the (100) plane direction is obtained. This is presumed to be due to the following reasons.
That is, it has been reported that by firing the LNO precursor at a high temperature (for example, 700 ° C.) of the first crystallization temperature, LNO highly oriented in the (100) direction can be obtained. Therefore, in the preparation of the conventional LNO precursor solution, in order to calcin the LNO precursor at the high temperature of the first crystallization temperature, the LNO precursor is thermally stabilized by using a solvent having a large side chain. Specifically, 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol were used as solvents having a large side chain. These solvents undergo an alcohol exchange reaction with, for example, lanthanum nitrate and nickel acetate in the process of preparing the LNO precursor solution to produce a thermally stable LNO precursor. In order to promote the thermal decomposition of the side chain of this thermally stable LNO precursor, the LNO precursor was calcined at a first crystallization temperature of 700 ° C. or higher. By doing so, an LNO highly oriented in the (100) direction was obtained.
On the other hand, in the first embodiment, the LNO precursor is exposed to a high temperature for a short time by heating the LNO precursor at a rapid temperature rise (10 ° C./sec or more). Further, in the first embodiment, an organic solvent having a side chain smaller than that of the conventional solvent and having 1 or more and 4 or less carbon atoms is used. Therefore, the thermal decomposition of the side chain of the LNO precursor can be promoted at the first crystallization temperature lower than the conventional one. That is, in the first embodiment, the first crystallization temperature is lower than the conventional one by using an organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms and heating the LNO precursor at a heating rate of 10 ° C./sec or more. Even if the LNO precursor solution is fired in (100), an LNO-based ceramic film highly oriented in the (100) direction can be obtained. As a result, high orientation and low temperature crystallization of the LNO-based ceramic film are realized.

また、LNO層12aは基板11に関係なく、(100)面方向に配向し易い。そのため、基板11の選択の自由度が高い。 Further, the LNO layer 12a tends to be oriented in the (100) plane direction regardless of the substrate 11. Therefore, the degree of freedom in selecting the substrate 11 is high.

昇温速度は、10℃/秒以上であり、好ましくは30℃/秒以上である。昇温速度が30℃/秒以上であると、圧電性及び強誘電性がより優れる圧電体素子1が得られる。これは、昇温速度が30℃/秒以上であると、LNO前駆体は残留有機物が熱分解する高温に短時間で曝され、LNOは(100)方向により高配向されやすくなる。その結果、PZT層13aがc軸配向制御されやすくなるためと推測される。 The rate of temperature rise is 10 ° C./sec or higher, preferably 30 ° C./sec or higher. When the temperature rising rate is 30 ° C./sec or more, the piezoelectric element 1 having more excellent piezoelectricity and ferroelectricity can be obtained. This is because when the heating rate is 30 ° C./sec or higher, the LNO precursor is exposed to a high temperature at which residual organic matter is thermally decomposed in a short time, and the LNO is more likely to be highly oriented in the (100) direction. As a result, it is presumed that the C-axis orientation of the PZT layer 13a is easily controlled.

第1結晶化温度は、450℃以上600℃以下、好ましくは500℃以上600℃以下、より好ましくは500℃以上550℃以下である。第1結晶化温度が450℃未満であると、得られる圧電体素子1の圧電性及び強誘電性が十分ではない。また、LNO系セラミックスの結晶化を十分に促進させるため、第1結晶化温度の保持時間は、好ましくは10分以上である。 The first crystallization temperature is 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, preferably 500 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, and more preferably 500 ° C. or higher and 550 ° C. or lower. If the first crystallization temperature is less than 450 ° C., the piezoelectricity and ferroelectricity of the obtained piezoelectric element 1 are not sufficient. Further, in order to sufficiently promote the crystallization of the LNO-based ceramics, the holding time of the first crystallization temperature is preferably 10 minutes or more.

LNO層12aの所望の膜厚は、例えば、第1塗布工程、第1乾燥工程、第1仮焼工程、及び第1本焼成工程を1サイクルとして、このサイクルを複数回繰り返すことで得られる。第1実施形態では、1サイクルあたり、0.04μm以上の膜厚のLNO層12aが形成され得る。 The desired film thickness of the LNO layer 12a can be obtained, for example, by repeating this cycle a plurality of times, with the first coating step, the first drying step, the first calcining step, and the first firing step as one cycle. In the first embodiment, an LNO layer 12a having a film thickness of 0.04 μm or more can be formed per cycle.

(1.2.2)圧電体層形成工程
第1実施形態では、圧電体層形成工程は、第2溶液調製工程と、第2塗布工程と、第2乾燥工程と、第2仮焼工程と、第2本焼成工程とを含む。第2溶液調製工程、第2塗布工程、第2乾燥工程、第2仮焼工程、及び第2本焼成工程は、この順で実行される。これにより、LNO層12aの表面S12にPZT層13aが形成される。以下、圧電体層形成工程を「PZT層形成工程」という場合がある。
(1.2.2) Piezoelectric layer forming step In the first embodiment, the piezoelectric layer forming step includes a second solution preparation step, a second coating step, a second drying step, and a second calcining step. , The second firing step is included. The second solution preparation step, the second coating step, the second drying step, the second calcining step, and the second firing step are executed in this order. As a result, the PZT layer 13a is formed on the surface S12 of the LNO layer 12a. Hereinafter, the piezoelectric layer forming step may be referred to as a “PZT layer forming step”.

(1.2.2.1)第2溶液調製工程
第2溶液調製工程では、Pb溶液とTi-Zr溶液とを混合及び反応させて、PZT層13aの原料となるPZT前駆体溶液を調製する。Pb溶液は、請求項8における第2溶液の一例である。Ti-Zr溶液は請求項8における第1溶液の一例である。PZT前駆体溶液は、請求項8における第3溶液の一例である。
(1.2.2.1) Second solution preparation step In the second solution preparation step, the Pb solution and the Ti—Zr solution are mixed and reacted to prepare a PZT precursor solution as a raw material for the PZT layer 13a. .. The Pb solution is an example of the second solution according to claim 8. The Ti—Zr solution is an example of the first solution according to claim 8. The PZT precursor solution is an example of the third solution according to claim 8.

Pb溶液と第1Ti-Zr溶液とを混合する際、Pb成分の添加量は、化学量論組成(Pb(ZrTi1-x)O(0.4<x<1))に対して15mol%から20mol%過剰であることが好ましい。これにより、第2本焼成工程において、揮発による鉛成分の不足分を補うことができる。 When mixing the Pb solution and the first Ti—Zr solution, the amount of the Pb component added is based on the stoichiometric composition (Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (0.4 <x <1)). It is preferably 15 mol% to 20 mol% excess. This makes it possible to make up for the shortage of lead components due to volatilization in the second firing step.

(a)Pb溶液
Pb溶液は、例えば、鉛化合物を第1有機溶媒に加えて、アンモニアガスをバブリングしながら還流することで得られる。鉛化合物が水和物を含む場合は、鉛化合物を乾燥させた後に、乾燥後の鉛化合物を第1有機溶媒に加える。Pb溶液は、鉛、及び第1有機溶媒を含有する。第1有機溶媒は、請求項8における第2有機溶媒の一例である。
鉛化合物としては、酢酸鉛(II)、鉛ジイソプロキシド、鉛ジブトキシド等が挙げられる。これらの鉛化合物は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。
第1有機溶媒としては、エタノール、キシレン、ブタノール等が挙げられる。これらの第1有機溶媒は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。
(A) Pb solution The Pb solution can be obtained, for example, by adding a lead compound to a first organic solvent and refluxing ammonia gas while bubbling. When the lead compound contains hydrate, the lead compound is dried, and then the dried lead compound is added to the first organic solvent. The Pb solution contains lead and a first organic solvent. The first organic solvent is an example of the second organic solvent in claim 8.
Examples of the lead compound include lead (II) acetate, lead diisoproxide, lead dibutoxide and the like. These lead compounds may be used alone or in combination of two or more.
Examples of the first organic solvent include ethanol, xylene, butanol and the like. These first organic solvents may be used alone or in combination of two or more.

(b)第1Ti-Zr溶液
第1実施形態では、第1Ti-Zr溶液は、部分加水分解法により調製される。詳しくは、第1チタンアルコキシド化合物と、第1ジルコニウムアルコキシド化合物と、第2有機溶媒と、炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方(部分安定化剤)とを少なくとも添加して第1混合溶液を調製し、第1混合溶液に、水を加えて部分加水分解及び重縮合を行うことで調製される。第1混合溶液は、第1溶液の一例である。第2有機溶媒は、請求項8における第1有機溶媒の一例である。
(B) First Ti-Zr Solution In the first embodiment, the first Ti-Zr solution is prepared by a partial hydrolysis method. Specifically, the first titanium alkoxide compound, the first zirconium alkoxide compound, the second organic solvent, and at least one of a monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms and a dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms (partially stabilized). The agent) is added at least to prepare a first mixed solution, and water is added to the first mixed solution to perform partial hydrolysis and polycondensation. The first mixed solution is an example of the first solution. The second organic solvent is an example of the first organic solvent in claim 8.

第1チタンアルコキシド化合物及び第1ジルコニウムアルコキシド化合物を混合する際、チタン原子に対するジルコニウム原子の割合(Zr/Ti)は、モル比で、好ましくは67%(40/60)以上233%(70/30)以下、さらに好ましくは67%(40/60)以上150%(60/40)である。チタンに対するジルコニウムの割合(Zr/Ti)は、特に好ましくは、PZTの正方晶系と菱面体晶系との境界(モルフォトロピック相境界)付近の組成となる108%(52/48)である。 When mixing the first titanium alkoxide compound and the first zirconium alkoxide compound, the ratio of the zirconium atom to the titanium atom (Zr / Ti) is preferably 67% (40/60) or more and 233% (70/30) in terms of molar ratio. ) Or less, more preferably 67% (40/60) or more and 150% (60/40). The ratio of zirconium to titanium (Zr / Ti) is particularly preferably 108% (52/48), which is a composition near the boundary between the tetragonal system and the rhombohedral system of PZT (the morphotropic phase boundary).

第1チタンアルコキシド化合物としては、チタンイソプロポキシド、チタンテトラプロポキシド等が挙げられる。これらの第1チタンアルコキシド化合物は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。 Examples of the first titanium alkoxide compound include titanium isopropoxide and titanium tetrapropoxide. These first titanium alkoxide compounds may be used alone or in combination of two or more.

第1ジルコニウムアルコキシド化合物としては、ジルコニウムノルマルプロポキシド、ジルコニウムテトラブトキシド等が挙げられる。これらの第1ジルコニウムアルコキシド化合物は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。 Examples of the first zirconium alkoxide compound include zirconium normal propoxide and zirconium tetrabutoxide. These first zirconium alkoxide compounds may be used alone or in combination of two or more.

第2有機溶媒としては、エタノール、キシレン、ブタノール等が挙げられる。これらの第2有機溶媒は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。第2有機溶媒は、第1有機溶媒と同一であってもよいし、異なっていてもよい。 Examples of the second organic solvent include ethanol, xylene, butanol and the like. These second organic solvents may be used alone or in combination of two or more. The second organic solvent may be the same as or different from the first organic solvent.

炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方は、後述するように、PZT前駆体の部分安定化剤として機能する。
炭素数1以上8以下のモノカルボン酸としては、例えば、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、2-メチルブタン酸、3-メチルブタン酸、ヘキサン酸、2-メチルペンタン酸、3-メチルペンタン酸、4-メチルペンタン酸、2-エチルブタン酸、3-エチルブタン酸、ヘプタン酸、2-メチルヘキサン酸、3-メチルヘキサン酸、4-メチルヘキサン酸、5-メチルヘキサン酸、2,2-ジメチルペンタン酸、2-エチルペンタン酸、3-エチルペンタン酸、2-エチルヘキサン酸、2-メチルヘプタン酸、3-メチルヘプタン酸、4-メチルヘプタン酸、5-メチルヘプタン酸、6-メチルヘプタン酸、2,2-ジメチルヘキサン酸、3,5-ジメチルヘキサン酸等が挙げられる。これらの炭素数1以上8以下のモノカルボン酸は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。
炭素数2以上8以下のジカルボン酸としては、例えば、シユウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸等が挙げられる。これらの炭素数2以上8以下のジカルボン酸は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。
炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方の添加量は、Zrイオン及びTiイオンの合計量1molに対して、例えば、1.5molである。
At least one of a monocarboxylic acid having 1 to 8 carbon atoms and a dicarboxylic acid having 2 to 8 carbon atoms functions as a partial stabilizer for the PZT precursor, as will be described later.
Examples of the monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms include acetic acid, propionic acid, butanoic acid, pentanoic acid, 2-methylbutanoic acid, 3-methylbutanoic acid, hexanoic acid, 2-methylpentanoic acid and 3-methylpentanoic acid. , 4-Methylpentanoic acid, 2-ethylbutanoic acid, 3-ethylbutanoic acid, heptanic acid, 2-methylhexanoic acid, 3-methylhexanoic acid, 4-methylhexanoic acid, 5-methylhexanoic acid, 2,2-dimethylpentane Acid, 2-ethylpentanoic acid, 3-ethylpentanoic acid, 2-ethylhexanoic acid, 2-methylheptanoic acid, 3-methylheptanoic acid, 4-methylheptanoic acid, 5-methylheptanoic acid, 6-methylheptanoic acid, Examples thereof include 2,2-dimethylhexanoic acid and 3,5-dimethylhexanoic acid. These monocarboxylic acids having 1 or more and 8 or less carbon atoms may be used alone or in combination of two or more.
Examples of the dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, adipic acid, pimelic acid, and suberic acid. These dicarboxylic acids having 2 or more and 8 or less carbon atoms may be used alone or in combination of two or more.
The amount of at least one of the monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms and the dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms is, for example, 1.5 mol with respect to the total amount of 1 mol of Zr ion and Ti ion.

水としては、蒸留水、イオン交換水等が挙げられる。水の添加量は、Zrイオン及びTiイオンの合計量1molに対して、例えば1molである。 Examples of water include distilled water, ion-exchanged water and the like. The amount of water added is, for example, 1 mol with respect to 1 mol of the total amount of Zr ions and Ti ions.

第1実施形態では、Pb溶液と、部分加水分解法により調製された第1Ti-Zr溶液とを混合及び反応させて調製されたPZT前駆体溶液が用いられる。
これにより、得られる圧電体素子1の圧電性及び強誘電性は、部分加水分解法により調製されていないTi-Zr溶液を用いた構成よりも優れる。これは、得られる圧電体素子1の厚み方向における組成分布が均一になることが主要因であると推測される。
具体的には、有機溶媒中の反応制御(化学修飾制御法を用いたPZT前駆体の部分加水分解法)により、PZT前駆体溶液中で金属-酸素結合を形成させるための分子設計を実現した。
図2は、チタンアルコキシドと、ジルコニウムアルコキシドと、部分安定化剤である酢酸との部分加水分解反応を説明するための図である。図2に示すように、化学修飾制御法によるペロブスカイト構造のBサイトの反応制御は、酢酸のキレート化による立体障害Xで優先的に加水分解される側鎖基を作り、高重合度で均質性の高いTi-Zr溶液が合成される。この高重合度で均質性の高いTi-Zr溶液をPb溶液と混合及び反応させることで、組成変化が小さいPZT前駆体が得られる。そのため、得られる圧電体素子1の厚み方向における組成分布は、均一になると推測される。
また、従来、CSD法では、PZT前駆体を600℃以上の温度(以下、「第2結晶化温度」という。)で焼成して、PZT系セラミックスの結晶化を行う必要があった。一方、第1実施形態では、部分加水分解法により調製された第1Ti-Zr溶液を含むPZT前駆体溶液と、LNOが(100)面方向に高配向されたLNO層12aとを用いることで、従来よりも低温の第2結晶化温度でPZT前駆体を焼成しても、PZT系セラミックス膜の結晶化が行えるようになったと考えられる。
In the first embodiment, a PZT precursor solution prepared by mixing and reacting a Pb solution and a first Ti—Zr solution prepared by a partial hydrolysis method is used.
As a result, the piezoelectricity and ferroelectricity of the obtained piezoelectric element 1 are superior to those using the Ti—Zr solution which has not been prepared by the partial hydrolysis method. It is presumed that this is mainly due to the uniform composition distribution of the obtained piezoelectric element 1 in the thickness direction.
Specifically, a molecular design for forming a metal-oxygen bond in a PZT precursor solution was realized by reaction control in an organic solvent (partial hydrolysis method of PZT precursor using a chemical modification control method). ..
FIG. 2 is a diagram for explaining a partial hydrolysis reaction between titanium alkoxide, zirconium alkoxide, and acetic acid as a partial stabilizer. As shown in FIG. 2, the reaction control of the B site of the perovskite structure by the chemical modification control method forms a side chain group that is preferentially hydrolyzed by steric hindrance X due to chelation of acetic acid, and has a high degree of polymerization and homogeneity. High Ti-Zr solution is synthesized. By mixing and reacting the Ti—Zr solution having a high degree of polymerization and high homogeneity with the Pb solution, a PZT precursor having a small composition change can be obtained. Therefore, it is presumed that the composition distribution of the obtained piezoelectric element 1 in the thickness direction becomes uniform.
Further, conventionally, in the CSD method, it has been necessary to crystallization the PZT-based ceramics by firing the PZT precursor at a temperature of 600 ° C. or higher (hereinafter referred to as “second crystallization temperature”). On the other hand, in the first embodiment, the PZT precursor solution containing the first Ti—Zr solution prepared by the partial hydrolysis method and the LNO layer 12a in which the LNO is highly oriented in the (100) plane direction are used. It is considered that the PZT-based ceramic film can be crystallized even if the PZT precursor is fired at a second crystallization temperature lower than the conventional one.

(1.2.2.2)第2塗布工程
第2塗布工程では、PZT前駆体溶液をLNO層12aの表面S12に塗布する。これにより、PZT塗布膜が得られる。PZT塗布膜は、鉛原子、チタン原子、ジルコニウム原子、第1有機溶媒、及び第2有機溶媒を含有する。PZT塗布膜は、請求項8における第3膜の一例である。第1有機溶媒及び第2有機溶媒は、請求項8における第3有機溶媒の一例である。
PZT前駆体溶液の塗布方法は、特に限定されず、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法等が挙げられる。
(1.2.2.2) Second coating step In the second coating step, the PZT precursor solution is applied to the surface S12 of the LNO layer 12a. As a result, a PZT coating film is obtained. The PZT coating film contains a lead atom, a titanium atom, a zirconium atom, a first organic solvent, and a second organic solvent. The PZT coating film is an example of the third film according to claim 8. The first organic solvent and the second organic solvent are examples of the third organic solvent in claim 8.
The method for applying the PZT precursor solution is not particularly limited, and examples thereof include a spin coating method, a dip coating method, and a spray coating method.

(1.2.2.3)第2乾燥工程
第2乾燥工程では、PZT塗布膜を乾燥させる。これにより、PZT塗布膜中の水分、及び残留溶媒は除去され得る。乾燥温度は、好ましくは100℃超200℃未満である。乾燥温度が上記範囲内であれば、得られるPZT膜中に水分が残留することを抑制することができる。
(1.2.2.3) Second drying step In the second drying step, the PZT coating film is dried. Thereby, the water content in the PZT coating film and the residual solvent can be removed. The drying temperature is preferably more than 100 ° C and less than 200 ° C. When the drying temperature is within the above range, it is possible to suppress the residual water content in the obtained PZT film.

(1.2.2.4)第2仮焼工程
第2仮焼工程では、PZT塗布膜を仮焼する。これにより、得られるPZT塗布膜中に有機成分が残留することを抑制することができる。仮焼温度は、好ましくは200℃以上400℃未満である。
(1.2.2.4) Second calcining step In the second calcining step, the PZT coating film is calcined. This makes it possible to prevent the organic component from remaining in the obtained PZT coating film. The calcination temperature is preferably 200 ° C. or higher and lower than 400 ° C.

(1.2.2.5)第2本焼成工程
第2本焼成工程では、急速加熱(RTA)炉を用いて、PZT塗布膜を急速加熱し、第2結晶化温度を保持して、PZT系セラミックスの結晶化を行う。
(1.2.2.5) Second firing step In the second firing step, the PZT coating film is rapidly heated using a rapid heating (RTA) furnace to maintain the second crystallization temperature, and the PZT is maintained. Crystallize the ceramics.

昇温速度は、好ましくは3.3℃/秒以上であり、好ましくは10℃/秒以上である。昇温速度が3.3℃/秒以上であれば、得られる圧電体素子1の圧電性及び強誘電性がより優れる。 The rate of temperature rise is preferably 3.3 ° C./sec or higher, and preferably 10 ° C./sec or higher. When the rate of temperature rise is 3.3 ° C./sec or more, the piezoelectricity and ferroelectricity of the obtained piezoelectric element 1 are more excellent.

第2結晶化温度は、好ましくは450℃以上600℃以下である。また、PZT系セラミックスの結晶化を十分に促進させるため、第2結晶化温度の保持時間は、好ましくは1分以上である。 The second crystallization temperature is preferably 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Further, in order to sufficiently promote the crystallization of the PZT-based ceramics, the holding time of the second crystallization temperature is preferably 1 minute or more.

PZT層13aの所望の膜厚は、例えば、第2塗布工程、第2乾燥工程、第2仮焼工程、及び第2本焼成工程を1サイクルとして、このサイクルを複数回繰り返すことで得られる。第1実施形態では、1サイクルあたり、0.15μm以上の膜厚のPZT層13aが形成され得る。 The desired film thickness of the PZT layer 13a can be obtained, for example, by repeating this cycle a plurality of times, with the second coating step, the second drying step, the second calcining step, and the second firing step as one cycle. In the first embodiment, the PZT layer 13a having a film thickness of 0.15 μm or more can be formed per cycle.

(1.2.3)第2電極層形成工程
第2電極層形成工程では、圧電体層13の表面に、第2電極層14を形成する。
第2電極層14の形成方法は、特に限定されず、例えば、イオンビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法等が挙げられる。
(12.3) Second Electrode Layer Forming Step In the second electrode layer forming step, the second electrode layer 14 is formed on the surface of the piezoelectric layer 13.
The method for forming the second electrode layer 14 is not particularly limited, and examples thereof include an ion beam vapor deposition method, a resistance heating vapor deposition method, and a sputtering method.

(2)第2実施形態
次に、図3を参照して、本開示の第2実施形態に係る圧電体素子1及び圧電体素子1の製造方法について説明する。図3は、本開示の第2実施形態に係る圧電体素子1の断面図である。
(2) Second Embodiment Next, with reference to FIG. 3, a method for manufacturing the piezoelectric element 1 and the piezoelectric element 1 according to the second embodiment of the present disclosure will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view of the piezoelectric element 1 according to the second embodiment of the present disclosure.

(2.1)圧電体素子
第2実施形態に係る圧電体素子1は、第1電極層12が導電体層12bを有する点、及び圧電体層13が下地層13bを有する点で、第1実施形態に係る圧電体素子2と異なる。
(2.1) Piezoelectric Element The piezoelectric element 1 according to the second embodiment has a first electrode layer 12 having a conductor layer 12b and a piezoelectric layer 13 having a base layer 13b. It is different from the piezoelectric element 2 according to the embodiment.

第2実施形態に係る圧電体素子1は、図3に示すように、基板11と、第1電極層12と、圧電体層13と、第2電極層14とを備える。 As shown in FIG. 3, the piezoelectric element 1 according to the second embodiment includes a substrate 11, a first electrode layer 12, a piezoelectric layer 13, and a second electrode layer 14.

(2.1.1)第1電極層
第2実施形態では、第1電極層12は、LNO層12aと、導電体層12bとを有する。第1電極層12において、LNO層12aは、最も圧電体層13側に位置する。そのため、圧電体層13は、LNO層12aの表面S12に積層されている。
(2.1.1) First Electrode Layer In the second embodiment, the first electrode layer 12 has an LNO layer 12a and a conductor layer 12b. In the first electrode layer 12, the LNO layer 12a is located closest to the piezoelectric layer 13. Therefore, the piezoelectric layer 13 is laminated on the surface S12 of the LNO layer 12a.

導電体層12bの材質としては、第2電極層14の材質として例示したものと同様のものが挙げられる。導電体層12bの膜厚は、圧電体素子1の用途等に応じて適宜調製すればよく、好ましくは0.1μm以上0.4μm以下である。 Examples of the material of the conductor layer 12b include the same materials as those exemplified as the material of the second electrode layer 14. The film thickness of the conductor layer 12b may be appropriately adjusted according to the intended use of the piezoelectric element 1, and is preferably 0.1 μm or more and 0.4 μm or less.

(2.1.2)圧電体層
第2実施形態では、圧電体層13は、PZT層13aと、下地層13bとを有する。圧電体層13において、下地層13bは、最も第1電極層12側に位置する。そのため、下地層13bは、LNO層12aの表面S12に積層されている。
(2.1.2) Piezoelectric layer In the second embodiment, the piezoelectric layer 13 has a PZT layer 13a and a base layer 13b. In the piezoelectric layer 13, the base layer 13b is located closest to the first electrode layer 12. Therefore, the base layer 13b is laminated on the surface S12 of the LNO layer 12a.

下地層13bは、チタン酸鉛系セラミックスからなる。
チタン酸鉛系セラミックスは、一般式Pb(ZrTi1-x)O(0≦x<0.4))で表されるセラミックス(以下、「PT」という。)を主成分とする。主成分とは、チタン酸鉛系セラミックスを構成する全成分に対する割合が80質量%以上である成分をいう。
チタン酸鉛系セラミックスのチタン原子に対するジルコニウム原子の割合(Zr/Ti)は、モル比で、好ましくは0%(0/100)以上43%(30/70)以下、さらに好ましくは、0%(0/100)超25%(20/80)未満である。
The base layer 13b is made of lead titanate-based ceramics.
Lead titanate-based ceramics are mainly composed of ceramics represented by the general formula Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (0 ≦ x <0.4) (hereinafter referred to as “PT”). The main component means a component having a ratio of 80% by mass or more to all the components constituting the lead titanate-based ceramics.
The ratio (Zr / Ti) of the zirconium atom to the titanium atom of the lead titanate ceramic is preferably 0% (0/100) or more and 43% (30/70) or less, more preferably 0% (0%) in terms of molar ratio. 0/100) More than 25% (20/80).

チタン酸鉛系セラミックスは、PTのみならず、PTを主成分とし、Sr、Nb、及びAlからなる群から選択された少なくとも1種の金属を微量添加したセラミックス、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)及び亜鉛ニオブ酸鉛(PZN)の少なくとも一方を含有するセラミックスを含有してもよい。 Lead titanate-based ceramics include not only PT but also ceramics containing PT as a main component and a small amount of at least one metal selected from the group consisting of Sr, Nb, and Al added, lead magnesium niobium (PMN), and the like. It may contain ceramics containing at least one of lead titanate (PZN).

(2.2)圧電体素子の製造方法
第2実施形態に係る圧電体素子1の製造方法は、第1電極層形成工程が導電体層形成工程を含む点、及び圧電体形成工程が下地層形成工程を含む点で、第1実施形態に係れる圧電体素子1の製造方法と異なる。
(2.2) Method for Manufacturing Piezoelectric Element In the method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to the second embodiment, the first electrode layer forming step includes a conductor layer forming step, and the piezoelectric forming step is a base layer. It differs from the method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to the first embodiment in that it includes a forming step.

第2実施形態に係る圧電体素子1の製造方法は、第1電極層形成工程と、圧電体層形成工程と、第2電極層形成工程とを含む。第1電極層形成工程、圧電体層形成工程、及び第2電極層形成工程は、この順で実行される。 The method for manufacturing the piezoelectric element 1 according to the second embodiment includes a first electrode layer forming step, a piezoelectric layer forming step, and a second electrode layer forming step. The first electrode layer forming step, the piezoelectric layer forming step, and the second electrode layer forming step are executed in this order.

(2.2.1)第1電極層形成工程
第2実施形態において、第1電極層形成工程は、導電体層形成工程と、第1溶液調製工程と、第1塗布工程と、第1乾燥工程と、第1仮焼工程と、第1本焼成工程とを有する。導電体層形成工程、第1溶液調製工程、第1塗布工程、第1乾燥工程、第1仮焼工程、及び第1本焼成工程は、この順に実行される。これにより、基板11の表面に、導電体層12b及びLNO層12aがこの順で積層されてなる第1電極層12が形成される。
(2.2.1) First Electrode Layer Forming Step In the second embodiment, the first electrode layer forming step includes a conductor layer forming step, a first solution preparation step, a first coating step, and a first drying. It has a step, a first calcining step, and a first firing step. The conductor layer forming step, the first solution preparation step, the first coating step, the first drying step, the first calcining step, and the first firing step are executed in this order. As a result, the first electrode layer 12 in which the conductor layer 12b and the LNO layer 12a are laminated in this order is formed on the surface of the substrate 11.

(2.2.1.1)導電体層形成工程
導電体層形成工程では、基板11の表面に、導電体層12bを形成する。
導電体層12bの形成方法は、特に限定されず、例えば、イオンビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法等が挙げられる。
(2.2.1.1) Conductor layer forming step In the conductor layer forming step, the conductor layer 12b is formed on the surface of the substrate 11.
The method for forming the conductor layer 12b is not particularly limited, and examples thereof include an ion beam vapor deposition method, a resistance heating vapor deposition method, and a sputtering method.

第2実施形態に係る第1塗布工程、第1乾燥工程、第1仮焼工程、及び第1本焼成工程の各々は、第1塗布工程において、LNO前駆体溶液を導電体層12bの表面に塗布する他は、第1実施形態と同様にして実行される。 In each of the first coating step, the first drying step, the first calcining step, and the first firing step according to the second embodiment, the LNO precursor solution is applied to the surface of the conductor layer 12b in the first coating step. Other than coating, it is carried out in the same manner as in the first embodiment.

(2.2.2)圧電体層形成工程
第2実施形態において、圧電体層形成工程は、第3溶液調製工程と、第3乾燥工程と、第3仮焼工程と、第3本焼成工程と、第2溶液調製工程と、第2乾燥工程と、第2仮焼工程と、第2本焼成工程とを含む。第3溶液調製工程、第3乾燥工程、第3仮焼工程、第3本焼成工程、第2溶液調製工程、第2乾燥工程、第2仮焼工程、及び第2本焼成工程は、この順で実行される。これにより、LNO層12aの表面S12に、下地層13b、及びPZT層13aがこの順に積層される。
(2.2.2) Piezoelectric layer forming step In the second embodiment, the piezoelectric layer forming step includes a third solution preparation step, a third drying step, a third calcination step, and a third main firing step. A second solution preparation step, a second drying step, a second calcination step, and a second main firing step are included. The third solution preparation step, the third drying step, the third calcining step, the third firing step, the second solution preparing step, the second drying step, the second calcining step, and the second firing step are in this order. Is executed by. As a result, the base layer 13b and the PZT layer 13a are laminated in this order on the surface S12 of the LNO layer 12a.

(2.2.2.1)第3溶液調製工程
第3溶液調製工程では、Pb溶液と第2Ti-Zr溶液とを混合して、下地層13bの原料となるPT前駆体溶液を調製する。
(2.2.2.1) Third solution preparation step In the third solution preparation step, the Pb solution and the second Ti—Zr solution are mixed to prepare a PT precursor solution as a raw material for the base layer 13b.

Pb溶液と第2Ti-Zr溶液とを混合する際、Pb成分の添加量は、化学量論組成(Pb(ZrTi1-x)O(0≦x<0.4))に対し15mol%から20mol%過剰であることが好ましい。これにより、第3本焼成工程において、揮発によるPb成分の不足分を補うことができる。 When mixing the Pb solution and the second Ti—Zr solution, the amount of the Pb component added is 15 mol with respect to the stoichiometric composition (Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (0 ≦ x <0.4)). % To 20 mol% is preferable. This makes it possible to make up for the shortage of the Pb component due to volatilization in the third firing step.

Pb溶液は、第1実施形態の第2溶液調製工程と同様にして、得られる。 The Pb solution is obtained in the same manner as in the second solution preparation step of the first embodiment.

第2実施形態では、第2Ti-Zr溶液は、部分加水分解法により調製される。詳しくは、第2チタンアルコキシド化合物と、第3有機溶媒と、炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方(部分安定化剤)とを少なくとも添加して第2混合溶液を調製し、第2混合溶液に、水を加えて加水分解を行うことで調製される。第2混合溶液を調製する際、第2ジルコニウムアルコキシド化合物を添加してもよい。 In the second embodiment, the second Ti—Zr solution is prepared by a partial hydrolysis method. Specifically, at least one of a second titanium alkoxide compound, a third organic solvent, a monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms and a dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms (partial stabilizer) is added. The second mixed solution is prepared, and water is added to the second mixed solution for hydrolysis. A second zirconium alkoxide compound may be added when preparing the second mixed solution.


第2Ti-Zr溶液において、第2チタンアルコキシド化合物及び第2ジルコニウムアルコキシド化合物を混合する際、チタン原子に対するジルコニウム原子の割合(Zr/Ti)は、モル比で、好ましくは0%(0/100)以上43%(30/70)以下、さらに好ましくは、0%(0/100)超25%(20/80)未満である。
..
When the second titanium alkoxide compound and the second zirconium alkoxide compound are mixed in the second Ti—Zr solution, the ratio of the zirconium atom to the titanium atom (Zr / Ti) is preferably 0% (0/100) in terms of molar ratio. It is 43% (30/70) or less, more preferably more than 0% (0/100) and less than 25% (20/80).

第2チタンアルコキシド化合物としては、第1実施形態の第1チタンアルコキシド化合物として例示した化合物と同様の化合物が挙げられる。これらの第2チタンアルコキシド化合物は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。第2チタンアルコキシド化合物は、第1チタンアルコキシド化合物と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
第2ジルコニウムアルコキシド化合物としては、第1実施形態の第2ジルコニウムアルコキシド化合物として例示した化合物と同様の化合物が挙げられる。これらの第2ジルコニウムアルコキシド化合物は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。第2ジルコニウムアルコキシド化合物は、第1ジルコニウムアルコキシド化合物と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
第3有機溶媒としては、エタノール、キシレン、ブタノール等が挙げられる。これらの第3有機溶媒は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。第3有機溶媒は、第2有機溶媒と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
PT前駆体溶液の炭素数1以上8以下のモノカルボン酸としては、第1実施形態の炭素数1以上8以下のモノカルボン酸として例示した化合物と同様の化合物が挙げられる。これらの炭素数1以上8以下のモノカルボン酸は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。PT前駆体溶液の炭素数1以上8以下のモノカルボン酸は、PZT前駆体溶液の炭素数1以上8以下のモノカルボン酸と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
PT前駆体溶液の炭素数2以上8以下のジカルボン酸としては、第1実施形態の炭素数2以上8以下のジカルボン酸として例示した化合物と同様の化合物が挙げられる。これらの炭素数2以上8以下のジカルボン酸は一種単独で使用されてもよいし、二種以上組み合わせて使用されてもよい。PT前駆体溶液の炭素数2以上8以下のジカルボン酸は、PZT前駆体溶液の炭素数2以上8以下のジカルボン酸と同一であってもよいし、異なっていてもよい。
炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方の添加量は、第2混合溶液中のZrイオン及びTiイオンの合計量1molに対して、例えば、1.5molである。
Examples of the second titanium alkoxide compound include compounds similar to the compounds exemplified as the first titanium alkoxide compound of the first embodiment. These second titanium alkoxide compounds may be used alone or in combination of two or more. The second titanium alkoxide compound may be the same as or different from the first titanium alkoxide compound.
Examples of the second zirconium alkoxide compound include compounds similar to the compounds exemplified as the second zirconium alkoxide compound of the first embodiment. These second zirconium alkoxide compounds may be used alone or in combination of two or more. The second zirconium alkoxide compound may be the same as or different from the first zirconium alkoxide compound.
Examples of the third organic solvent include ethanol, xylene, butanol and the like. These third organic solvents may be used alone or in combination of two or more. The third organic solvent may be the same as or different from the second organic solvent.
Examples of the monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms in the PT precursor solution include the same compounds as those exemplified as the monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms in the first embodiment. These monocarboxylic acids having 1 or more and 8 or less carbon atoms may be used alone or in combination of two or more. The monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms in the PT precursor solution may be the same as or different from the monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms in the PZT precursor solution.
Examples of the dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms in the PT precursor solution include the same compounds as those exemplified as the dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms in the first embodiment. These dicarboxylic acids having 2 or more and 8 or less carbon atoms may be used alone or in combination of two or more. The dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms in the PT precursor solution may be the same as or different from the dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms in the PZT precursor solution.
The amount of at least one of the monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms and the dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms is, for example, 1 with respect to 1 mol of the total amount of Zr ions and Ti ions in the second mixed solution. It is .5 mol.

(2.2.2.2)第3塗布工程
第3塗布工程では、PT前駆体溶液をLNO層12aの表面S12に塗布する。これにより、PT塗布膜が得られる。PT塗布膜は、鉛原子、チタン原子、第1有機溶媒、及び第3有機溶媒を含有し、必要に応じて、ジルコニウム原子を更に含有する。PT塗布膜は、請求項5における第2膜の一例である。
LNO前駆体溶液の塗布方法は、特に限定されず、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法等が挙げられる。
(2.2.2.2) Third coating step In the third coating step, the PT precursor solution is applied to the surface S12 of the LNO layer 12a. As a result, a PT coating film is obtained. The PT coating film contains a lead atom, a titanium atom, a first organic solvent, and a third organic solvent, and further contains a zirconium atom, if necessary. The PT coating film is an example of the second film according to claim 5.
The method for applying the LNO precursor solution is not particularly limited, and examples thereof include a spin coating method, a dip coating method, and a spray coating method.

ここで、PT前駆塗布膜のZrの含有量が多いほど、チタン酸鉛系セラミックスを結晶化するための第3結晶化温度を高くする必要がある。また、得られる圧電体層13中のZrの含有量が多いと、圧電性及び強誘電性により優れる圧電体素子1が得られる。そのため、PT塗布膜のチタン原子に対するジルコニウム原子の割合(Zr/Ti)が、モル比で、0%(0/100)超25%(20/80)未満であることが好ましい。これにより、第3結晶化温度を低く抑えつつ、圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子1が得られる。
チタン原子に対するジルコニウム原子の割合(Zr/Ti)を上記範囲内のPT塗布膜は、第2Ti-Zr溶液中のチタン原子に対するジルコニウム原子の割合(Zr/Ti)をモル比で、0%(0/100)超25%(20/80)未満に調整することで得られる。
Here, as the Zr content of the PT precursor coating film increases, it is necessary to raise the third crystallization temperature for crystallizing lead titanate-based ceramics. Further, when the content of Zr in the obtained piezoelectric layer 13 is large, the piezoelectric element 1 having more excellent piezoelectricity and ferroelectricity can be obtained. Therefore, the ratio of the zirconium atom to the titanium atom (Zr / Ti) of the PT coating film is preferably more than 0% (0/100) and less than 25% (20/80) in terms of molar ratio. As a result, the piezoelectric element 1 having excellent piezoelectricity and ferroelectricity can be obtained while keeping the third crystallization temperature low.
The ratio of zirconium atom to titanium atom (Zr / Ti) is within the above range. For the PT coating film, the ratio of zirconium atom to titanium atom in the second Ti—Zr solution (Zr / Ti) is 0% (0%) in molar ratio. / 100) Obtained by adjusting to more than 25% (20/80).

(2.2.2.3)第3乾燥工程
第3乾燥工程では、PT塗布膜を乾燥させる。これにより、PT塗布膜中の水分、及び残留溶媒は除去され得る。乾燥温度は、好ましくは100℃超200℃未満である。乾燥温度が上記範囲内であれば、得られるPT塗布膜中に水分が残留することを抑制することができる。
(2.2.2.2) Third drying step In the third drying step, the PT coating film is dried. Thereby, the water content and the residual solvent in the PT coating film can be removed. The drying temperature is preferably more than 100 ° C and less than 200 ° C. When the drying temperature is within the above range, it is possible to prevent moisture from remaining in the obtained PT coating film.

(2.2.2.4)第3仮焼工程
第3仮焼工程では、PT塗布膜を仮焼する。これにより、得られるPT塗布膜中に有機成分が残留することを抑制することができる。仮焼温度は、好ましくは200℃以上400℃未満である。
(2.2.2.4) Third calcination step In the third calcination step, the PT coating film is tentatively baked. This makes it possible to prevent the organic component from remaining in the obtained PT coating film. The calcination temperature is preferably 200 ° C. or higher and lower than 400 ° C.

(2.2.2.5)第3本焼成工程
第3本焼成工程では、急速加熱(RTA)炉を用いて、PT塗布膜を急速加熱し、第3結晶化温度を保持して、PT系セラミックスの結晶化を行う。これにより、LNO層12aの表面S12に下地層13bが形成される。
(2.2.2.5) Third firing step In the third firing step, the PT coating film is rapidly heated using a rapid heating (RTA) furnace to maintain the third crystallization temperature, and the PT is maintained. Crystallize ceramics. As a result, the base layer 13b is formed on the surface S12 of the LNO layer 12a.

昇温速度は、好ましくは3.3℃/秒以上であり、好ましくは10℃/秒以上である。昇温速度が3.3℃/秒以上であれば、得られる圧電体素子1の圧電性及び強誘電性がより優れる。 The rate of temperature rise is preferably 3.3 ° C./sec or higher, and preferably 10 ° C./sec or higher. When the rate of temperature rise is 3.3 ° C./sec or more, the piezoelectricity and ferroelectricity of the obtained piezoelectric element 1 are more excellent.

第3結晶化温度は、好ましくは450℃以上600℃以下である。また、PT系セラミックスの結晶化を十分に促進させるため、第3結晶化温度の保持時間は、好ましくは5分以上である。 The third crystallization temperature is preferably 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Further, in order to sufficiently promote the crystallization of the PT-based ceramics, the holding time of the third crystallization temperature is preferably 5 minutes or more.

第2実施形態では、第2溶液調製工程、第2塗布工程、第2乾燥工程、第2仮焼工程、及び第2本焼成工程に各々は、第2塗布工程において、PZT前駆体溶液を下地層13bの表面に塗布する他は、第1実施形態と同様にして実行される。
このように、第2実施形態では、下地層13bの表面にPZT層13aを形成する。そのため、従来よりも低温の第2結晶化温度でPZT前記体溶液を焼成しても、PZT系セラミックスの結晶化を行うことができる。
In the second embodiment, in the second solution preparation step, the second coating step, the second drying step, the second calcining step, and the second firing step, each of the second coating step is carried out by lowering the PZT precursor solution. It is carried out in the same manner as in the first embodiment except that it is applied to the surface of the formation layer 13b.
As described above, in the second embodiment, the PZT layer 13a is formed on the surface of the base layer 13b. Therefore, even if the PZT body solution is fired at a second crystallization temperature lower than the conventional one, the PZT-based ceramics can be crystallized.

第2実施形態では、圧電体層13の所望の膜厚は、例えば、第2塗布工程、第2乾燥工程、第2仮焼工程、及び第2本焼成工程を1サイクルとして、このサイクルを複数回繰り返すことで得られる。 In the second embodiment, the desired film thickness of the piezoelectric layer 13 is, for example, a second coating step, a second drying step, a second calcining step, and a second firing step as one cycle, and a plurality of these cycles. Obtained by repeating the process.

(2.2.3)第2電極層形成工程
実施形態2において、第2電極層形成工程は実施形態1と同様にして実行される。
(2.2.3) Second Electrode Layer Forming Step In the second embodiment, the second electrode layer forming step is executed in the same manner as in the first embodiment.

以下、本発明に係る実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to Examples. The present invention is not limited to the description of these examples.

[基材の準備]
基材11として、ガラス基板、及びシリコン基板を準備した。
[Preparation of base material]
As the base material 11, a glass substrate and a silicon substrate were prepared.

[LNO前駆体溶液の準備]
LNO前駆体溶液として、LNO(A)前駆体溶液と、LNO(B)前駆体溶液とを下記のようにして、調製した。LNO(A)前駆体溶液と、LNO(B)前駆体溶液とは、有機溶媒が異なる。
[Preparation of LNO precursor solution]
As the LNO precursor solution, an LNO (A) precursor solution and an LNO (B) precursor solution were prepared as follows. The organic solvent of the LNO (A) precursor solution and the LNO (B) precursor solution are different.

〔LNO(A)前駆体溶液の調製〕
硝酸ランタン六水和物(La(NO・6HO) 20質量部をビーカーに秤量し、水和物の除去のために、150℃で1時間以上乾燥させて、第1乾燥物を得た。次いで、第1乾燥物を室温まで冷却させた後、第1乾燥物に、エタノール 90質量部及び2-メトキシエタノール 10質量部を加えて、室温で3時間攪拌して硝酸ランタンを溶解させ、溶液Aを得た。
酢酸ニッケル四水和物((CHCOO)Ni・4HO) 20質量部を第1セパラブルフラスコに秤量し、水和物の除去のため150℃で1時間乾燥させた後、200℃で1時間、計2時間乾燥させて、第2乾燥物を得た。次いで、第2乾燥物に、エタノール 90質量部、2-メトキシエタノール 5質量部及び2-アミノエタノール 5質量部を加え、110℃で30分間攪拌し、溶液Bを得た。
溶液Bを室温まで冷却後、溶液Aを溶液Bが入っている第1セパラブルフラスコに投入し、室温で3時間攪拌して、LNO(A)前駆体溶液を得た。
[Preparation of LNO (A) precursor solution]
Lanthanum Nitrate Hexhydrate (La (NO 3 ) 3.6H 2 O) Weigh 20 parts by mass in a beaker and dry at 150 ° C. for 1 hour or more to remove the hydrate. Got Next, after cooling the first dried product to room temperature, 90 parts by mass of ethanol and 10 parts by mass of 2-methoxyethanol were added to the first dried product, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours to dissolve lanthanum nitrate to dissolve the solution. I got A.
Nickel acetate tetrahydrate ((CH 3 COO) 2 Ni · 4H 2 O) 20 parts by mass is weighed in a first separable flask, dried at 150 ° C. for 1 hour to remove hydrate, and then 200. A second dried product was obtained by drying at ° C. for 1 hour for a total of 2 hours. Next, 90 parts by mass of ethanol, 5 parts by mass of 2-methoxyethanol and 5 parts by mass of 2-aminoethanol were added to the second dried product, and the mixture was stirred at 110 ° C. for 30 minutes to obtain a solution B.
After cooling the solution B to room temperature, the solution A was put into a first separable flask containing the solution B and stirred at room temperature for 3 hours to obtain an LNO (A) precursor solution.

〔LNO(B)前駆体溶液の調製〕
硝酸ランタン六水和物 20質量部をビーカーに秤量し、水和物の除去のために、150℃で1時間以上乾燥させて、第3乾燥物を得た。次いで、第3乾燥物を室温まで冷却させた後、第3乾燥物にエタノール 100質量部を加えて、室温で3時間攪拌して硝酸ランタンを溶解させて、溶液Cを得た。
酢酸ニッケル四水和物 20質量部を第2セパラブルフラスコに秤量し、水和物の除去のため150℃で1時間乾燥させた後、200℃で1時間、計2時間乾燥させて、第4乾燥物を得た。次いで、第4乾燥物に、エタノール 100質量部を加え、110℃で30分間攪拌し、溶液Dを得た。
溶液Dを室温まで冷却後、溶液Cを溶液Dが入っている第2セパラブルフラスコに投入し、室温で3時間攪拌して、LNO(B)前駆体溶液を得た。
[Preparation of LNO (B) precursor solution]
20 parts by mass of lanthanum nitrate hexahydrate was weighed in a beaker and dried at 150 ° C. for 1 hour or more to obtain a third dried product. Then, after cooling the third dried product to room temperature, 100 parts by mass of ethanol was added to the third dried product, and the mixture was stirred at room temperature for 3 hours to dissolve lanthanum nitrate to obtain a solution C.
20 parts by mass of nickel acetate tetrahydrate was weighed in a second separable flask and dried at 150 ° C. for 1 hour to remove the hydrate, and then dried at 200 ° C. for 1 hour for a total of 2 hours. 4 Dried product was obtained. Then, 100 parts by mass of ethanol was added to the fourth dried product, and the mixture was stirred at 110 ° C. for 30 minutes to obtain a solution D.
After cooling the solution D to room temperature, the solution C was put into a second separable flask containing the solution D and stirred at room temperature for 3 hours to obtain an LNO (B) precursor solution.

[PZT前駆体溶液の準備]
PZT前駆体溶液として、第1PZT(53/47)前駆体溶液と、第1PZT(30/70)前駆体溶液と、PT前駆体溶液と、第2PZT(53/47)前駆体溶液と、第2第1PZT(30/70)前駆体溶液とを下記のようにして、調製した。
第1PZT(53/47)前駆体溶液と、第1PZT(30/70)前駆体溶液と、PT前駆体溶液とは、溶液中のジルコニウムの含有量が異なる。
第2PZT(53/47)前駆体溶液と、第2PZT(30/70)前駆体溶液とは、溶液中のジルコニウムの含有量が異なる。
第1PZT(53/47)前駆体溶液、第1PZT(30/70)前駆体溶液、及びPT前駆体溶液の各々は、その原料に部分安定化剤(酢酸)を含むのに対し、第2PZT(53/47)前駆体溶液、及び第2PZT(30/70)前駆体溶液の各々は、その原料に部分安定剤を含まない。
[Preparation of PZT precursor solution]
As the PZT precursor solution, the first PZT (53/47) precursor solution, the first PZT (30/70) precursor solution, the PT precursor solution, the second PZT (53/47) precursor solution, and the second The first PZT (30/70) precursor solution was prepared as follows.
The first PZT (53/47) precursor solution, the first PZT (30/70) precursor solution, and the PT precursor solution differ in the content of zirconium in the solution.
The content of zirconium in the second PZT (53/47) precursor solution and the second PZT (30/70) precursor solution are different.
Each of the first PZT (53/47) precursor solution, the first PZT (30/70) precursor solution, and the PT precursor solution contains a partial stabilizer (acetic acid) as a raw material thereof, whereas the second PZT (acetic acid) is contained. Each of the 53/47) precursor solution and the second PZT (30/70) precursor solution does not contain a partial stabilizer in its raw material.

〔第1PZT(53/47)前駆体溶液の調製〕
酢酸鉛(II)三水和物((CHCOO)Pb・3HO)を第3セパラブルフラスコに秤量し、その水和物の除去のため150℃で3時間乾燥させて、第5乾燥物を得た。次いで、第5乾燥物に、無水エタノールを加え、アンモニアガスをフローさせながら、50℃で2時間加熱攪拌させ、Pb溶液を調製した。
Zr-Ti前駆体溶液は、部分加水分解法により調製した。詳しくは、ジルコニウム-n-プロポキシド(Zr(OC)、及びチタンテトライソプロポキシド(((CHCHO)Ti)を、第4セパラブルフラスコに秤量し、無水エタノールを加えて溶解し、78℃で2時間還流を行い、部分安定化剤である酢酸を加え、78℃で1時間還流して、溶液Eを得た。ジルコニウム-n-プロポキシドと、チタンテトライソプロポキシドとの混合割合は、(Zr/Ti)のモル比で、(53/47)とした。
次いで、溶液Eを冷却機中に移し、5℃で30分攪拌し、蒸留水を加え1時間部分加水分解反応を行うことで、Zr-Ti前駆体溶液を調製した。酢酸の添加量は、溶液E中において、Zrイオン及びTiイオンの合計量1molに対して1.5molとした。蒸留水の添加量は、溶液E中において、Zrイオン及びTiイオンの合計量1molに対して1molとした。
次いで、Pb溶液とZr-Ti前駆体溶液を混合及び反応させ、冷却器中において、5℃で16時間攪拌することで、第1PZT(53/47)前駆体溶液を得た。Pb溶液と、Zr-Ti前駆体溶液との混合割合は、Pb成分を化学量論組成(Pb(Zr0.53,Ti0.47)O)に対し20mol%過剰となるようにした。
[Preparation of 1st PZT (53/47) precursor solution]
Lead acetate (II) trihydrate ((CH 3 COO) 2 Pb · 3H 2 O) was weighed in a third separable flask and dried at 150 ° C. for 3 hours to remove the hydrate. 5 dried product was obtained. Then, absolute ethanol was added to the fifth dried product, and the mixture was heated and stirred at 50 ° C. for 2 hours while flowing ammonia gas to prepare a Pb solution.
The Zr-Ti precursor solution was prepared by the partial hydrolysis method. Specifically, zirconium-n-propoxide (Zr (OC 3 H 7 ) 4 ) and titanium tetraisopropoxide (((CH 3 ) 2 CHO) 4 Ti) are weighed in a fourth separable flask and anhydrous. Ethanol was added to dissolve the mixture, and the mixture was refluxed at 78 ° C. for 2 hours, acetic acid as a partial stabilizer was added, and the mixture was refluxed at 78 ° C. for 1 hour to obtain a solution E. The mixing ratio of zirconium-n-propoxide and titanium tetraisopropoxide was (53/47) in terms of the molar ratio of (Zr / Ti).
Then, the solution E was transferred into a cooler, stirred at 5 ° C. for 30 minutes, distilled water was added, and a partial hydrolysis reaction was carried out for 1 hour to prepare a Zr—Ti precursor solution. The amount of acetic acid added was 1.5 mol with respect to 1 mol of the total amount of Zr ions and Ti ions in the solution E. The amount of distilled water added was 1 mol with respect to 1 mol of the total amount of Zr ions and Ti ions in the solution E.
Then, the Pb solution and the Zr—Ti precursor solution were mixed and reacted, and stirred at 5 ° C. for 16 hours in a cooler to obtain a first PZT (53/47) precursor solution. The mixing ratio of the Pb solution and the Zr-Ti precursor solution was such that the Pb component was 20 mol% excessive with respect to the stoichiometric composition (Pb (Zr 0.53 , Ti 0.47 ) O3).

〔第1PZT(30/70)前駆体溶液の調製〕
ジルコニウム-n-プロポキシドと、チタンテトライソプロポキシドとの混合割合を、(Zr/Ti)のモル比で、(30/70)にした他は、(第1PZT(53/47)前駆体溶液の調製)と同様にして、第1PZT(30/70)前駆体溶液を得た。
[Preparation of 1st PZT (30/70) precursor solution]
The mixing ratio of zirconium-n-propoxide and titanium tetraisopropoxide was (30/70) in a molar ratio of (Zr / Ti), and the (1st PZT (53/47) precursor solution) was used. The first PZT (30/70) precursor solution was obtained in the same manner as in (Preparation).

〔PT前駆体溶液の調製〕
ジルコニウム-n-プロポキシドを用いなかった他は、(第1PZT(53/47)前駆体溶液の調製)と同様にして、PT前駆体溶液を得た。
[Preparation of PT precursor solution]
A PT precursor solution was obtained in the same manner as in (Preparation of 1st PZT (53/47) precursor solution) except that zirconium-n-propoxide was not used.

〔第2PZT(53/47)前駆体溶液の調製〕
Zr-Ti前駆体溶液に部分安定化剤の酢酸を加えなかった他は、(第1PZT(53/47)前駆体溶液の調製)と同様にして、第2PZT(53/47)前駆体溶液を得た。
[Preparation of 2nd PZT (53/47) precursor solution]
The second PZT (53/47) precursor solution was prepared in the same manner as in (Preparation of the first PZT (53/47) precursor solution) except that acetic acid as a partial stabilizer was not added to the Zr-Ti precursor solution. Obtained.

〔第2PZT(30/70)前駆体溶液の調製〕
ジルコニウム-n-プロポキシドと、チタンテトライソプロポキシドとの混合割合を、(Zr/Ti)のモル比で43%(30/70)にしたこと、Zr-Ti前駆体溶液に部分安定化剤の酢酸を加えなかったことの他は、(第1PZT(53/47)前駆体溶液の調製)と同様にして、第2PZT(30/70)前駆体溶液を得た。
[Preparation of 2nd PZT (30/70) precursor solution]
The mixing ratio of zirconium-n-propoxide and titanium tetraisopropoxide was set to 43% (30/70) in terms of the molar ratio of (Zr / Ti), and a partial stabilizer was added to the Zr-Ti precursor solution. A second PZT (30/70) precursor solution was obtained in the same manner as in (Preparation of the first PZT (53/47) precursor solution) except that acetic acid was not added.

(実施例1)
[第1電極層形成工程]
〔LNO層形成工程〕
ガラス基板の表面にLNO(A)前駆体溶液をスピンコート法により塗布し、LNO(A)塗布膜を得た。スピンコートの条件は、回転数2500rpm、30秒とした。
次いで、酸素雰囲気下において、LNO(A)塗布膜を150℃で10分間乾燥した後、150℃から350℃に昇温し、350℃で10分間仮焼した。
次いで、RTAを用いて、昇温速度40℃/秒で、350℃から550℃まで昇温し、550℃で15分間本焼成して、ガラス基板の表面にLNO薄膜を得た。
得られたLNO薄膜の形成方法と同様にして、LNO(A)前駆体溶液のスピンコート法による塗布、乾燥、仮焼及び本焼成を1サイクルとする作業を、得られたLNO薄膜上に3回繰り返した。
これにより、基板11の表面に、LNO層12aとして4層のLNO薄膜を得た。
(Example 1)
[First electrode layer forming step]
[LNO layer forming step]
The LNO (A) precursor solution was applied to the surface of the glass substrate by the spin coating method to obtain an LNO (A) coating film. The conditions for spin coating were a rotation speed of 2500 rpm and 30 seconds.
Then, in an oxygen atmosphere, the LNO (A) coating film was dried at 150 ° C. for 10 minutes, then heated from 150 ° C. to 350 ° C. and calcined at 350 ° C. for 10 minutes.
Then, using RTA, the temperature was raised from 350 ° C. to 550 ° C. at a heating rate of 40 ° C./sec, and main firing was performed at 550 ° C. for 15 minutes to obtain an LNO thin film on the surface of the glass substrate.
Similar to the method for forming the obtained LNO thin film, the work of applying the LNO (A) precursor solution by the spin coating method, drying, calcining, and main firing as one cycle is performed on the obtained LNO thin film 3 times. Repeated times.
As a result, a four-layer LNO thin film was obtained as the LNO layer 12a on the surface of the substrate 11.

[圧電体層形成工程]
〔下地層形成工程〕
LNO層12aの表面S12に、PZT(30/70)前駆体溶液をスピンコート法により塗布し、PZT(30/70)塗布膜を得た。スピンコートの条件は、回転数2500rpm、30秒とした。
次いで、酸素雰囲気下において、PZT(30/70)塗布膜を150℃で10分間乾燥した後、150℃から420℃に昇温し、420℃で10分間仮焼した。
次いで、RTAを用いて、昇温速度3.3℃/秒で、420℃から550℃まで昇温し、550℃で15分間本焼成して、LNO層12aの表面S12に、下地層13bとしてPZT(30/70)膜を得た。
[Piezoelectric layer forming process]
[Underground layer forming process]
A PZT (30/70) precursor solution was applied to the surface S12 of the LNO layer 12a by a spin coating method to obtain a PZT (30/70) coating film. The conditions for spin coating were a rotation speed of 2500 rpm and 30 seconds.
Then, in an oxygen atmosphere, the PZT (30/70) coating film was dried at 150 ° C. for 10 minutes, heated from 150 ° C. to 420 ° C., and calcined at 420 ° C. for 10 minutes.
Then, using RTA, the temperature was raised from 420 ° C. to 550 ° C. at a heating rate of 3.3 ° C./sec, and main firing was performed at 550 ° C. for 15 minutes on the surface S12 of the LNO layer 12a as the base layer 13b. A PZT (30/70) film was obtained.

〔PZT層形成工程〕
得られたPZT(30/70)薄膜の表面に、第1PZT(53/47)前駆体溶液をスピンコート法により塗布し、第1PZT(53/47)塗布膜を得た。スピンコートの条件は、回転数2500rpm、30秒とした。
次いで、酸素雰囲気下において、第1PZT(53/47)塗布膜を150℃で10分間乾燥した後、150℃から420℃に昇温し、420℃で10分間仮焼した。
次いで、RTAを用いて、昇温速度3.3℃/秒で、420℃から550℃まで昇温し、550℃で15分間本焼成して1PZT(30/70)薄膜の表面に、第1PZT(53/47)薄膜を得た。
得られた第1PZT(53/47)膜の形成方法と同様にして、第1PZT(53/47)前駆体溶液のスピンコート法による塗布、乾燥、仮焼及び本焼成を1サイクルとする作業を、得られたPZT(53/47)薄膜上に3回繰り返した。
これにより、LNO層12の表面S12に、下地層13bとしての1層のPZT(30/70)薄膜、PZT層13aとしての4層のPZT(53/47)薄膜がこの順で積層された圧電体層13を得た。
[PZT layer forming step]
The first PZT (53/47) precursor solution was applied to the surface of the obtained PZT (30/70) thin film by a spin coating method to obtain a first PZT (53/47) coating film. The conditions for spin coating were a rotation speed of 2500 rpm and 30 seconds.
Then, in an oxygen atmosphere, the first PZT (53/47) coating film was dried at 150 ° C. for 10 minutes, then heated from 150 ° C. to 420 ° C. and calcined at 420 ° C. for 10 minutes.
Then, using RTA, the temperature was raised from 420 ° C. to 550 ° C. at a heating rate of 3.3 ° C./sec, and main firing was performed at 550 ° C. for 15 minutes on the surface of the 1PZT (30/70) thin film. (53/47) A thin film was obtained.
Similar to the method for forming the obtained first PZT (53/47) film, the work of applying, drying, calcining and main firing of the first PZT (53/47) precursor solution by the spin coating method is performed in one cycle. , Repeated 3 times on the obtained PZT (53/47) thin film.
As a result, a piezoelectric one layer of PZT (30/70) thin film as the base layer 13b and four layers of PZT (53/47) thin film as the PZT layer 13a are laminated in this order on the surface S12 of the LNO layer 12. Body layer 13 was obtained.

[第2電極層形成工程]
PZT層13の表面に、イオンビーム蒸着法により、Auからなる上部電極層を得た。
[Second electrode layer forming step]
An upper electrode layer made of Au was obtained on the surface of the PZT layer 13 by an ion beam vapor deposition method.

以上のようにして、圧電体素子を得た。 As described above, a piezoelectric element was obtained.

(実施例2)
下記(1)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(1):LNO層形成工程において、RTAの昇温速度を20℃/秒としたこと
(Example 2)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (1) was different.
(1): In the LNO layer forming step, the temperature rise rate of RTA was set to 20 ° C./sec.

(実施例3)
下記(2)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(2):LNO層形成工程において、LNO(A)前駆体溶液の代わりにLNO(B)前駆体溶液を用いたこと
(Example 3)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (2) was different.
(2): In the LNO layer forming step, the LNO (B) precursor solution was used instead of the LNO (A) precursor solution.

(実施例4)
下記(1)及び(2)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(1):LNO層形成工程において、RTAの昇温速度を20℃/秒としたこと
(2):LNO層形成工程において、LNO(A)前駆体溶液の代わりにLNO(B)前駆体溶液を用いたこと
(Example 4)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (1) and (2) were different.
(1): In the LNO layer forming step, the temperature rise rate of RTA was set to 20 ° C./sec. (2): In the LNO layer forming step, the LNO (B) precursor solution was used instead of the LNO (A) precursor solution. Was used

(実施例5)
下記(3)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(3):PZT層形成工程において、第1PZT(30/70)前駆体溶液の代わりに、PT前駆体溶液を用いたこと
(Example 5)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (3) was different.
(3): In the PZT layer forming step, a PT precursor solution was used instead of the first PZT (30/70) precursor solution.

(実施例6)
下記(1)及び(3)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(1):LNO層形成工程において、RTAの昇温速度を20℃/秒としたこと
(3):PZT層形成工程において、第1PZT(30/70)前駆体溶液の代わりに、PT前駆体溶液を用いたこと
(Example 6)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (1) and (3) were different.
(1): In the LNO layer forming step, the temperature rise rate of RTA was set to 20 ° C./sec. (3): In the PZT layer forming step, the PT precursor was used instead of the first PZT (30/70) precursor solution. Using the solution

(実施例7)
下記(2)及び(3)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(2):LNO層形成工程において、LNO(A)前駆体溶液の代わりにLNO(B)前駆体溶液を用いたこと
(3):PZT層形成工程において、第1PZT(30/70)前駆体溶液の代わりに、PT前駆体溶液を用いたこと
(Example 7)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (2) and (3) were different.
(2): The LNO (B) precursor solution was used instead of the LNO (A) precursor solution in the LNO layer forming step. (3): The first PZT (30/70) precursor in the PZT layer forming step. Using PT precursor solution instead of solution

(実施例8)
下記(1)~(3)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(1):LNO層形成工程において、RTAの昇温速度を20℃/秒としたこと
(2):LNO層形成工程において、LNO(A)前駆体溶液の代わりにLNO(B)前駆体溶液を用いたこと
(3):PZT層形成工程において、第1PZT(30/70)前駆体溶液の代わりに、PT前駆体溶液を用いたこと
(Example 8)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (1) to (3) were different.
(1): In the LNO layer forming step, the temperature rise rate of RTA was set to 20 ° C./sec. (2): In the LNO layer forming step, the LNO (B) precursor solution was used instead of the LNO (A) precursor solution. (3): In the PZT layer forming step, a PT precursor solution was used instead of the first PZT (30/70) precursor solution.

(実施例9)
下記(1)及び(4)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(1):LNO層形成工程において、RTAの昇温速度を20℃/秒としたこと
(4):PZT層形成工程において、第1PZT(30/70)前駆体溶液の代わりに、第1PZT(53/47)前駆体溶液を用いたこと
(Example 9)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (1) and (4) were different.
(1): In the LNO layer forming step, the temperature rise rate of RTA was set to 20 ° C./sec. (4): In the PZT layer forming step, instead of the first PZT (30/70) precursor solution, the first PZT ( 53/47) Precursor solution was used

(実施例10)
下記(5)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(5):PZT層形成工程において、第1PZT(53/47)前駆体溶液の代わりに第2PZT(53/47)前駆体溶液を用い、第1PZT(30/70)前駆体溶液の代わりに第2PZT(30/70)前駆体溶液を用いたこと
(Example 10)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (5) was different.
(5): In the PZT layer forming step, the second PZT (53/47) precursor solution is used instead of the first PZT (53/47) precursor solution, and the first PZT (30/70) precursor solution is used instead of the first PZT (30/70) precursor solution. Using 2PZT (30/70) precursor solution

(比較例1)
下記(6)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(6):LNO層形成工程において、RTAの昇温速度を3.3℃/秒としたこと
(Comparative Example 1)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (6) was different.
(6): In the LNO layer forming step, the temperature rise rate of RTA was set to 3.3 ° C./sec.

(比較例2)
下記(2)及び(6)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(2):LNO層形成工程において、LNO(A)前駆体溶液の代わりにLNO(B)前駆体溶液を用いたこと
(6):LNO層形成工程において、RTAの昇温速度を3.3℃/秒としたこと
(Comparative Example 2)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (2) and (6) were different.
(2): In the LNO layer forming step, the LNO (B) precursor solution was used instead of the LNO (A) precursor solution. (6): In the LNO layer forming step, the temperature rise rate of RTA was 3.3. ℃ / sec

(比較例3)
下記(7)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(7):LNO層形成工程において、550℃に代えて400℃で本焼成を行ったこと
(Comparative Example 3)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (7) was different.
(7): In the LNO layer forming step, the main firing was performed at 400 ° C instead of 550 ° C.

(比較例4)
下記(1)、(2)、及び(7)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(1):LNO層形成工程において、RTAの昇温速度を20℃/秒としたこと
(2):LNO層形成工程において、LNO(A)前駆体溶液の代わりにLNO(B)前駆体溶液を用いたこと
(7):LNO層形成工程において、550℃に代えて400℃で本焼成を行ったこと
(Comparative Example 4)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (1), (2), and (7) were different.
(1): In the LNO layer forming step, the temperature rise rate of RTA was set to 20 ° C./sec. (2): In the LNO layer forming step, the LNO (B) precursor solution was used instead of the LNO (A) precursor solution. (7): In the LNO layer forming step, the main firing was performed at 400 ° C instead of 550 ° C.

(比較例5)
下記(4)、(8)~(10)が異なる他は、実施例1と同様にして、圧電体素子を得た。
(4):PZT層形成工程において、第1PZT(30/70)前駆体溶液の代わりに、第1PZT(53/47)前駆体溶液を用いたこと
(8):基板11として、ガラス基板の代わりにシリコン基板を用いたこと
(9):LNO層形成工程において、昇温速度を40℃/秒から30℃/秒に代え、本焼成の条件を550℃で15分間から750℃で5分間に代えたこと
(10):PZT層形成工程において、乾燥条件を150℃から115℃に代え、仮焼条件を420℃から350℃に代え、本焼成条件を550℃で15分間を650℃で5分間に代えたこと
(Comparative Example 5)
A piezoelectric element was obtained in the same manner as in Example 1 except that the following (4) and (8) to (10) were different.
(4): In the PZT layer forming step, the first PZT (53/47) precursor solution was used instead of the first PZT (30/70) precursor solution. (8): As the substrate 11, instead of the glass substrate. (9): In the LNO layer forming step, the heating rate was changed from 40 ° C./sec to 30 ° C./sec, and the main firing conditions were changed from 15 minutes at 550 ° C to 5 minutes at 750 ° C. What was changed (10): In the PZT layer forming step, the drying condition was changed from 150 ° C. to 115 ° C., the calcination condition was changed from 420 ° C. to 350 ° C., and the main firing condition was changed to 550 ° C. for 15 minutes at 650 ° C. 5 What I replaced with minutes

(圧電体素子の測定等)
実施例1~実施例10、及び比較例1~比較例5の圧電体素子の圧電定数d33、及び残留分極(Pr:Remanent Polarization)を、下記の測定方法等により測定した。得られた残留分極Pr及び圧電定数d33の測定結果を表1に示す。
なお、表3中、残留分極Pr及び圧電定数d33の測定結果において、「0」とは、結晶性が悪いために、圧電定数d33及び残留分極Prを測定できなかったことを示す。
(Measurement of piezoelectric elements, etc.)
The piezoelectric constant d 33 and the residual polarization (Pr: Remanent Polarization) of the piezoelectric elements of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 5 were measured by the following measuring methods and the like. Table 1 shows the measurement results of the obtained residual polarization Pr and the piezoelectric constant d 33 .
In Table 3, in the measurement results of the residual polarization Pr and the piezoelectric constant d 33 , “0” indicates that the piezoelectric constant d 33 and the residual polarization Pr could not be measured due to poor crystallinity.

(圧電定数d33の測定)
第1電極層及び第2電極層に電圧を印加した際の微小変位を、走査型プローブ顕微鏡(SPM)により測定し、圧電定数d33を求めた。
圧電定数d33が40(pm/V)以上である圧電体素子を、圧電性に優れる圧電体素子と評価した。
(Measurement of piezoelectric constant d 33 )
The minute displacement when a voltage was applied to the first electrode layer and the second electrode layer was measured by a scanning probe microscope (SPM), and the piezoelectric constant d 33 was obtained.
A piezoelectric element having a piezoelectric constant d 33 of 40 (pm / V) or more was evaluated as a piezoelectric element having excellent piezoelectricity.

(残留分極Prの測定)
残留分極Prの測定には、ソーヤ・タワー回路を用いた。すなわち、圧電体素子に三角波電圧を印加し、それによって生じる分極が更に表面電荷を発生させ、この表面電荷量を測定し、電極面積で除することによって、残留分極Prを求めた。
残留分極Prが15(μC/cm)以上である圧電体素子を、強誘電性に優れる圧電体素子と評価した。
(Measurement of residual polarization Pr)
A Sawyer tower circuit was used for the measurement of the residual polarization Pr. That is, a triangular wave voltage was applied to the piezoelectric element, the polarization generated by the voltage further generated a surface charge, the amount of the surface charge was measured, and the residual polarization Pr was obtained by dividing by the electrode area.
A piezoelectric element having a residual polarization Pr of 15 (μC / cm 2 ) or more was evaluated as a piezoelectric element having excellent ferroelectricity.

Figure 2022041246000005
Figure 2022041246000005

Figure 2022041246000006
Figure 2022041246000006

Figure 2022041246000007
Figure 2022041246000007

実施例1~実施例10では、硝酸ランタン、酢酸ニッケル、エタノールを含むLNO塗布膜を、10℃/秒以上の昇温速度で450℃以上600℃以下の第1結晶化温度まで昇温し、第1結晶化温度を保持して、LNO層を形成した。そのため、実施例1~実施例10の圧電体素子は、圧電定数d33が40(pm/V)以上で、かつ残留分極Prが15(μC/cm)以上であった。その結果、実施例1~実施例10では、CSD法によって、圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子をより低温で作製することができることがわかった。 In Examples 1 to 10, the LNO coating film containing lanthanum nitrate, nickel acetate, and ethanol was heated to a first crystallization temperature of 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower at a heating rate of 10 ° C./sec or higher. The first crystallization temperature was maintained to form the LNO layer. Therefore, the piezoelectric elements of Examples 1 to 10 have a piezoelectric constant d 33 of 40 (pm / V) or more and a residual polarization Pr of 15 (μC / cm 2 ) or more. As a result, it was found that in Examples 1 to 10, a piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity can be produced at a lower temperature by the CSD method.

また、実施例1と実施例3との比較、及び実施例2と実施例4との比較とから明らかなように、LNO前駆体溶液の溶媒において、エタノール、2-メトキシエタノール及び2-アミノエタノールを含有する実施例1及び実施例2は、エタノールのみを含有する実施例3及び実施例4よりも、圧電体素子の圧電定数d33が高かった。その結果、LNO前駆体溶液の溶媒が炭素数1以上4以下の有機溶媒に加えて2-メトキシエタノール及び2-アミノエタノールを更に含有すると、圧電性により優れる圧電体素子を作製することができることがわかった。 Further, as is clear from the comparison between Example 1 and Example 3 and the comparison between Example 2 and Example 4, ethanol, 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol are used in the solvent of the LNO precursor solution. In Examples 1 and 2 containing only ethanol, the piezoelectric constant d 33 of the piezoelectric element was higher than in Examples 3 and 4 containing only ethanol. As a result, when the solvent of the LNO precursor solution further contains 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol in addition to the organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms, a piezoelectric element having better piezoelectricity can be produced. all right.

また、実施例1と実施例5との比較、実施例2と実施例6との比較、実施例3と実施例7との比較、及び実施例4と実施例8との比較から明らかなように、PT塗布膜のチタン原子に対するジルコニウム原子の割合が、モル比で、43%(30/70)である実施例1~実施例4は、0%である実施例5~実施例8よりも、圧電体素子の圧電定数d33及び残留分極Prがより高かった。その結果、PT塗布膜は、ジルコニウムを含有すると、圧電性及び強誘電性がより優れる圧電体素子を作製することができることがわかった。 Further, as is clear from the comparison between Example 1 and Example 5, the comparison between Example 2 and Example 6, the comparison between Example 3 and Example 7, and the comparison between Example 4 and Example 8. In addition, Examples 1 to 4 in which the ratio of the zirconium atom to the titanium atom in the PT coating film is 43% (30/70) in molar ratio are higher than those in Examples 5 to 8 in which the ratio is 0%. , The piezoelectric constant d 33 and the residual polarization Pr of the piezoelectric element were higher. As a result, it was found that when the PT coating film contains zirconium, a piezoelectric element having more excellent piezoelectricity and ferroelectricity can be produced.

また、実施例2と実施例7との比較から明らかなように、圧電体層13が下地層13bを有する実施例2は、圧電体層13が下地層13bを有しない実施例7よりも、圧電体素子の圧電体素子の圧電定数d33及び残留分極Prがより高かった。その結果、圧電体層13が下地層13bを有することで、圧電性及び強誘電性がより優れる圧電体素子を作製することができることがわかった。 Further, as is clear from the comparison between Example 2 and Example 7, Example 2 in which the piezoelectric layer 13 has the base layer 13b is higher than that in Example 7 in which the piezoelectric layer 13 does not have the base layer 13b. The piezoelectric constant d 33 and the residual polarization Pr of the piezoelectric element of the piezoelectric element were higher. As a result, it was found that the piezoelectric layer 13 having the base layer 13b makes it possible to manufacture a piezoelectric element having more excellent piezoelectricity and ferroelectricity.

また、実施例1と実施例10との比較から明らかなように、部分加水分解法により調製したZr-Ti前駆体溶液を用いた実施例1は、部分加水分解法により調製していないZr-Ti前駆体溶液を用いた実施例10よりも、圧電体素子の圧電体素子の圧電定数d33及び残留分極Prがより高かった。その結果、部分加水分解法により調製したZr-Ti前駆体溶液を用いることで、圧電性及び強誘電性がより優れる圧電体素子を作製することができることがわかった。 Further, as is clear from the comparison between Example 1 and Example 10, Example 1 using the Zr-Ti precursor solution prepared by the partial hydrolysis method is Zr- not prepared by the partial hydrolysis method. The piezoelectric constant d 33 and the residual polarization Pr of the piezoelectric element of the piezoelectric element were higher than those of Example 10 using the Ti precursor solution. As a result, it was found that a piezoelectric device having more excellent piezoelectricity and ferroelectricity can be produced by using the Zr-Ti precursor solution prepared by the partial hydrolysis method.

一方、比較例1及び比較例2では、硝酸ランタン、酢酸ニッケル、エタノールを含むLNO塗布膜を、550℃まで10℃/秒未満の昇温速度で昇温した。そのため、比較例1及び比較例2の圧電体素子は、圧電定数d33が40(pm/V)未満で、かつ残留分極Prが15(μC/cm)未満であった。その結果、比較例1及び比較例2では、CSD法によって、圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子をより低温で作製することができないことがわかった。 On the other hand, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the temperature of the LNO coating film containing lanthanum nitrate, nickel acetate and ethanol was raised to 550 ° C at a heating rate of less than 10 ° C / sec. Therefore, in the piezoelectric elements of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the piezoelectric constant d 33 was less than 40 (pm / V) and the residual polarization Pr was less than 15 (μC / cm 2 ). As a result, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it was found that the piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity could not be manufactured at a lower temperature by the CSD method.

比較例3及び比較例4では、硝酸ランタン、酢酸ニッケル、エタノールを含むLNO塗布膜を、450℃未満の第1結晶化温度を保持して、LNO層を形成した。そのため、比較例1及び比較例2の圧電体素子は、圧電定数d33が40(pm/V)未満で、かつ残留分極Prが15(μC/cm)未満であった。その結果、比較例3及び比較例4では、CSD法によって、圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子をより低温で作製することができないことがわかった。 In Comparative Example 3 and Comparative Example 4, the LNO coating film containing lanthanum nitrate, nickel acetate, and ethanol was kept at a first crystallization temperature of less than 450 ° C. to form an LNO layer. Therefore, in the piezoelectric elements of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the piezoelectric constant d 33 was less than 40 (pm / V) and the residual polarization Pr was less than 15 (μC / cm 2 ). As a result, in Comparative Example 3 and Comparative Example 4, it was found that the piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity could not be manufactured at a lower temperature by the CSD method.

比較例5では、LNO塗布膜の第1結晶化温度が750℃であった。そのため、比較例5の圧電体素子は、圧電定数d33が40(pm/V)以上で、かつ残留分極Prが15(μC/cm)以上であり、非常に優れた圧電体素子であったが(Pr=38μC/cm、d33=500pm/V)、基板11は750℃の高温に曝された。その結果、比較例5では、CSD法によって、圧電性及び強誘電性に優れる圧電体素子を作製することができることがわかったが、基板11は、650℃以上の高温に曝された。 In Comparative Example 5, the first crystallization temperature of the LNO coating film was 750 ° C. Therefore, the piezoelectric element of Comparative Example 5 is a very excellent piezoelectric element having a piezoelectric constant d 33 of 40 (pm / V) or more and a residual polarization Pr of 15 (μC / cm 2 ) or more. However (Pr = 38 μC / cm 2 , d 33 = 500 pm / V), the substrate 11 was exposed to a high temperature of 750 ° C. As a result, in Comparative Example 5, it was found that a piezoelectric element having excellent piezoelectricity and ferroelectricity could be produced by the CSD method, but the substrate 11 was exposed to a high temperature of 650 ° C. or higher.

また、比較例1と実施例1との比較、比較例2と実施例2との比較から明らかなように、LNO層12aが基板11の表面に(100)面で優先配向しないと、部分加水分解法により調製したZr-Ti前駆体溶液を含むPZT前駆体溶液を用いても、得られる圧電体素子は、優れた圧電性及び強誘電性を発現しないことがわかった。 Further, as is clear from the comparison between Comparative Example 1 and Example 1 and the comparison between Comparative Example 2 and Example 2, if the LNO layer 12a is not preferentially oriented on the surface of the substrate 11 in the (100) plane, partial water addition is performed. It was found that even when the PZT precursor solution containing the Zr-Ti precursor solution prepared by the decomposition method was used, the obtained piezoelectric element did not exhibit excellent piezoelectricity and ferroelectricity.

図4は、実施例1、実施例2、比較例1、及び比較例5で得られたLNO層12aのX線回折パターン図である。図4に示すように、昇温速度が40℃/秒の実施例1、昇温速度が30℃/秒の比較例5、及び昇温速度が20℃/秒の実施例2では、LNO層が(100)面に優先配向されていることがわかった。一方、昇温速度3.3℃/秒の比較例1では、LNO層が(100)面に優先配向されていないことがわかった。これらの結果から、LNO層形成工程において、昇温速度を10℃/秒以上とすることで、LNO層を(100)面に優先配向されていることができることがわかった。 FIG. 4 is an X-ray diffraction pattern diagram of the LNO layer 12a obtained in Example 1, Example 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 5. As shown in FIG. 4, in Example 1 having a heating rate of 40 ° C./sec, Comparative Example 5 having a heating rate of 30 ° C./sec, and Example 2 having a heating rate of 20 ° C./sec, the LNO layer. Was found to be preferentially oriented to the (100) plane. On the other hand, in Comparative Example 1 at a heating rate of 3.3 ° C./sec, it was found that the LNO layer was not preferentially oriented toward the (100) plane. From these results, it was found that the LNO layer can be preferentially oriented toward the (100) plane by setting the temperature rise rate to 10 ° C./sec or more in the LNO layer forming step.

図5は、実施例1及び実施例2で得られた圧電体素子の特性(P-Eヒステリシスループ)の測定結果を示す図である。図6は、実施例3及び実施例4で得られた圧電体素子の特性P-Eヒステリシスループ)の測定結果を示す図である。
図5に示すように、高温まで安定な分子構造を維持できたLNO(A)前駆体溶液を用いたLNO層12aをPZT層13aの配向制御層及び第1電極層12として用いて急速昇温(40℃/秒)した実施例1では、非常に大きな残留分極値(強誘電性)、及び比較的良好な圧電性(d33=170pm/V)が得られた。
図6に示すように、LNO(B)前記体溶液を用いたLNO層12aをPZT層13aの配向制御層及び第1電極層12として用いて急速昇温した実施例3及び実施例4でも、比較的良好な強誘電性と圧電性が得られることも分かった。しかし、LNO(A)前駆体溶液を用いることで、LNO(B)前駆体溶液を用いるよりも高性能な圧電体素子を作製できることが分かった。
FIG. 5 is a diagram showing measurement results of the characteristics (PE hysteresis loop) of the piezoelectric element obtained in Examples 1 and 2. FIG. 6 is a diagram showing measurement results of the characteristic PE hysteresis loop of the piezoelectric element obtained in Examples 3 and 4.
As shown in FIG. 5, the LNO layer 12a using the LNO (A) precursor solution capable of maintaining a stable molecular structure up to a high temperature is used as the orientation control layer and the first electrode layer 12 of the PZT layer 13a to rapidly raise the temperature. In Example 1 (40 ° C./sec), a very large residual polarization value (ferroelectricity) and relatively good piezoelectricity (d 33 = 170 pm / V) were obtained.
As shown in FIG. 6, in Examples 3 and 4, the temperature of the LNO layer 12a using the body solution of LNO (B) was rapidly increased by using the LNO layer 12a as the orientation control layer and the first electrode layer 12 of the PZT layer 13a. It was also found that relatively good ferroelectricity and piezoelectricity can be obtained. However, it was found that by using the LNO (A) precursor solution, it is possible to fabricate a piezoelectric device having higher performance than using the LNO (B) precursor solution.

図7は、参考例1のPZT層13aの厚み方向の断面をSTEM-EDXでPZT層13aの厚み方向に沿って線分析をしたPZT層13aの厚み方向のLNO層12aの表面S12からの距離に対する、濃度比(Ti濃度/Pb濃度)及び濃度比(Zr濃度/Pb濃度)の各々の変動を示すグラフである。詳しくは、図7は、LNO層12の表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に0.41μm離れた位置からの100nm区間における濃度比(Ti濃度/Pb濃度)及び濃度比(Zr濃度/Pb濃度)の各々の変動幅を示す。また、参考例1の圧電体素子は、比較例5に準じて、部分加水分解法により調製された第1Ti-Zr溶液を含むPZT前駆体溶液を用いて作製された。参考例1の圧電体素子は、比較例5と同様に、圧電定数d33が40(pm/V)以上で、かつ残留分極Prが15(μC/cm)以上であり、非常に優れた圧電体素子である。0.41μmは、第1距離の一例である。LNO層12の表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に0.41μm離れた位置は、第1位置の一例である。LNO層12の表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に0.51μm離れた位置は、第2位置の一例である。 FIG. 7 shows the distance from the surface S12 of the LNO layer 12a in the thickness direction of the PZT layer 13a obtained by line-analyzing the cross section of the PZT layer 13a in the thickness direction of Reference Example 1 along the thickness direction of the PZT layer 13a with STEM-EDX. It is a graph which shows the fluctuation of each of the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) and the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) with respect to. Specifically, FIG. 7 shows the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) and the concentration in the 100 nm section from a position 0.41 μm away from the surface S12 of the LNO layer 12 on the second electrode layer 14 side in the thickness direction of the PZT layer 13a. The fluctuation range of each ratio (Zr concentration / Pb concentration) is shown. Further, the piezoelectric device of Reference Example 1 was produced by using a PZT precursor solution containing a first Ti—Zr solution prepared by a partial hydrolysis method according to Comparative Example 5. Similar to Comparative Example 5, the piezoelectric element of Reference Example 1 has a piezoelectric constant d 33 of 40 (pm / V) or more and a residual polarization Pr of 15 (μC / cm 2 ) or more, and is extremely excellent. It is a piezoelectric element. 0.41 μm is an example of the first distance. The position 0.41 μm away from the surface S12 of the LNO layer 12 on the side of the second electrode layer 14 in the thickness direction of the PZT layer 13a is an example of the first position. A position 0.51 μm away from the surface S12 of the LNO layer 12 on the side of the second electrode layer 14 in the thickness direction of the PZT layer 13a is an example of the second position.

図8は、参考例2のPZT層13aの厚み方向の断面をSTEM-EDXでPZT層13aの厚み方向に沿って線分析をしたPZT層13aの厚み方向のLNO層12の表面S12からの距離に対する、濃度比(Ti濃度/Pb濃度)及び濃度比(Zr濃度/Pb濃度)の各々の変動を示すグラフである。詳しくは、図8は、LNO層12の表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に0.34μm離れた位置からの100nm区間における濃度比(Ti濃度/Pb濃度)及び濃度比(Zr濃度/Pb濃度)の各々の変動幅を示す。また、参考例2の圧電体素子は、部分加水分解法により調製されていないPZT前駆体溶液を用いた他は、参考例1と同様に作製された。参考例2の圧電体素子は、参考例1とは異なり、圧電定数d33が40(pm/V)未満で、かつ残留分極Prが15(μC/cm)未満であった。 FIG. 8 shows the distance from the surface S12 of the LNO layer 12 in the thickness direction of the PZT layer 13a obtained by line-analyzing the cross section of the PZT layer 13a in the thickness direction of Reference Example 2 along the thickness direction of the PZT layer 13a with STEM-EDX. It is a graph which shows the fluctuation of each of the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) and the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) with respect to. Specifically, FIG. 8 shows the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) and the concentration in the 100 nm section from a position 0.34 μm away from the surface S12 of the LNO layer 12 on the second electrode layer 14 side in the thickness direction of the PZT layer 13a. The fluctuation range of each ratio (Zr concentration / Pb concentration) is shown. Further, the piezoelectric element of Reference Example 2 was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that a PZT precursor solution not prepared by the partial hydrolysis method was used. Unlike the reference example 1, the piezoelectric element of the reference example 2 had a piezoelectric constant d 33 of less than 40 (pm / V) and a residual polarization Pr of less than 15 (μC / cm 2 ).

部分加水分解法により調製されたPZT前駆体溶液を用いた参考例1では、非常に優れた強誘電性と圧電性を示した。
また、図7に示すように、LNO層12の表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に0.41μm離れた第1位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)は、0.270であった。LNO層12の表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に0.51μm離れた第2位置(第1位置からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に100nm離れた位置)の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)は、0.275であった。つまり、第1位置から第2位置までの100nmの間で濃度比(Ti濃度/Pb濃度)は、変動幅で0.005(変動率Aは約1%)しか変化していない。換言すると、組成傾斜CAが示すように、100nmにわたって濃度比(Ti濃度/Pb濃度)が均一であることがわかった。
さらに、参考例1では、第1位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)は、0.190であった。第2位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)は、0.175であった。つまり、第1位置から第2位置までの100nmの間で濃度比(Zr濃度/Pb濃度)は、変動幅で0.015(変動率Bは約8%)しか変化していない。換言すると、組成傾斜CBが示すように、100nmにわたって濃度比(Zr濃度/Pb濃度)が均一であることがわかった。
以上より、部分加水分解法により調製されたPZT前駆体溶液を用いた参考例1のPZT層13aは、その厚み方向における組成分布が均一であることがわかった。
In Reference Example 1 using the PZT precursor solution prepared by the partial hydrolysis method, very excellent ferroelectricity and piezoelectricity were shown.
Further, as shown in FIG. 7, the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the first position separated by 0.41 μm from the surface S12 of the LNO layer 12 to the second electrode layer 14 side in the thickness direction of the PZT layer 13a is determined. It was 0.270. A second position 0.51 μm away from the surface S12 of the LNO layer 12 on the second electrode layer 14 side in the thickness direction of the PZT layer 13a (100 nm away from the first position on the second electrode layer 14 side in the thickness direction of the PZT layer 13a). The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the position) was 0.275. That is, the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) changes only 0.005 (variation rate A is about 1%) in the fluctuation range between 100 nm from the first position to the second position. In other words, as shown by the composition gradient CA, it was found that the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) was uniform over 100 nm.
Further, in Reference Example 1, the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) at the first position was 0.190. The concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) at the second position was 0.175. That is, the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) changes only 0.015 (variation rate B is about 8%) in the fluctuation range between 100 nm from the first position to the second position. In other words, as shown by the composition gradient CB, it was found that the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) was uniform over 100 nm.
From the above, it was found that the composition distribution of the PZT layer 13a of Reference Example 1 using the PZT precursor solution prepared by the partial hydrolysis method was uniform in the thickness direction.

これに対し、部分加水分解法により調製されていないPZT前駆体溶液を用いた参考例2では、図8に示すように、LNO層12の表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に0.34μm離れた第1位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)は、約0.300であった。LNO層12の表面S12からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に0.44μm離れた第2位置(第1位置からPZT層13aの厚み方向の第2電極層14側に100nm離れた位置)の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)は、0.225であった。つまり、第1位置から第2位置までの100nmの間で濃度比(Ti濃度/Pb濃度)は、変動幅で約0.075(変動率Aは約25%)と、大きく変化している。換言すると、組成傾斜CAが示すように、100nmにわたって濃度比(Ti濃度/Pb濃度)の均一性が低いことがわかった。
さらに、参考例2では、第1位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)は、約0.150であった。第2位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)は、約0.200であった。つまり、第1位置から第2位置までの100nmの間で濃度比(Zr濃度/Pb濃度)は、変動幅で約0.050(変動率Bは約25%)と、大きく変化している。換言すると、組成傾斜CBが示すように、100nmにわたって濃度比(Zr濃度/Pb濃度)の均一性が低いことがわかった。
以上より、部分加水分解法により調製されたPZT前駆体溶液を用いた参考例1では、その厚み方向における組成分布の均一性が非常に高いので、強誘電性や圧電性が高いことがわかった。
On the other hand, in Reference Example 2 using the PZT precursor solution not prepared by the partial hydrolysis method, as shown in FIG. 8, the second electrode layer in the thickness direction from the surface S12 of the LNO layer 12 to the PZT layer 13a. The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) at the first position, which was 0.34 μm away from the 14 side, was about 0.300. A second position 0.44 μm away from the surface S12 of the LNO layer 12 on the second electrode layer 14 side in the thickness direction of the PZT layer 13a (100 nm away from the first position on the second electrode layer 14 side in the thickness direction of the PZT layer 13a). The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the position) was 0.225. That is, the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) varies greatly between 100 nm from the first position to the second position, with a fluctuation range of about 0.075 (variation rate A is about 25%). In other words, as shown by the composition gradient CA, it was found that the uniformity of the concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) was low over 100 nm.
Further, in Reference Example 2, the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) at the first position was about 0.150. The concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) at the second position was about 0.200. That is, the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) varies greatly between 100 nm from the first position to the second position, with a fluctuation range of about 0.050 (variation rate B is about 25%). In other words, as shown by the composition gradient CB, it was found that the uniformity of the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) was low over 100 nm.
From the above, it was found that in Reference Example 1 using the PZT precursor solution prepared by the partial hydrolysis method, the uniformity of the composition distribution in the thickness direction is very high, so that the ferroelectricity and the piezoelectricity are high. ..

1 圧電体素子
11 基板
12 第1電極層
13 圧電体層
13a PZT層
13b 下地層
14 第2電極層
1 Piezoelectric element 11 Substrate 12 First electrode layer 13 Piezoelectric layer 13a PZT layer 13b Underlayer layer 14 Second electrode layer

Claims (9)

基板、第1電極層、圧電体層、及び第2電極層をこの順に備える圧電体素子の製造方法であって、
前記第1電極層は、ニッケル酸ランタン系セラミックスからなるLNO層を有し、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを有し、かつ前記LNO層の表面に形成されており、
ランタン原子、ニッケル原子、及び炭素数1以上4以下の有機溶媒を含む第1膜を、10℃/秒以上の昇温速度で450℃以上600℃以下の温度まで昇温し、前記温度を保持して、前記LNO層を形成するLNO層形成工程を含む、圧電体素子の製造方法。
A method for manufacturing a piezoelectric element including a substrate, a first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer in this order.
The first electrode layer has an LNO layer made of lanthanum nickelate ceramics.
The piezoelectric layer has lead zirconate titanate-based ceramics and is formed on the surface of the LNO layer.
The first film containing a lanthanum atom, a nickel atom, and an organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms is heated to a temperature of 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower at a heating rate of 10 ° C./sec or higher to maintain the temperature. A method for manufacturing a piezoelectric element, which comprises a step of forming an LNO layer for forming the LNO layer.
前記炭素数1以上4以下の有機溶媒は、アルコールを含む、請求項1に記載の圧電体素子の製造方法。
The method for manufacturing a piezoelectric device according to claim 1, wherein the organic solvent having 1 or more and 4 or less carbon atoms contains alcohol.
前記昇温速度は、30℃/秒以上である、請求項1又は請求項2に記載の圧電体素子の製造方法。
The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 1 or 2, wherein the temperature rising rate is 30 ° C./sec or more.
前記第1膜は、2-メトキシエタノール、及び2-アミノエタノールの少なくとも一方を含む、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
The method for producing a piezoelectric element according to any one of claims 1 to 3, wherein the first film contains at least one of 2-methoxyethanol and 2-aminoethanol.
前記圧電体層は、前記LNO層の表面に形成された下地層と、前記下地層の表面に形成された前記チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるPZT層とを含み、
鉛原子、チタン原子、及び第1有機溶媒を含む第2膜を、450℃以上600℃以下で加熱して、前記LNO層の表面に前記下地層を形成する下地層形成工程と、
鉛原子、チタン原子、ジルコニウム原子、及び第2有機溶媒を含む第3膜を、450℃以上600℃以下で加熱して、前記下地層の表面に前記PZT層を形成するPZT層形成工程とを含む、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
The piezoelectric layer includes a base layer formed on the surface of the LNO layer and a PZT layer made of the lead zirconate titanate ceramics formed on the surface of the base layer.
A step of forming a base layer on the surface of the LNO layer by heating a second film containing a lead atom, a titanium atom, and a first organic solvent at 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
A PZT layer forming step of heating a third film containing a lead atom, a titanium atom, a zirconium atom, and a second organic solvent at 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower to form the PZT layer on the surface of the base layer. The method for manufacturing a piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4, which comprises.
前記第2膜は、ジルコニウム原子を更に含有し、
前記第2膜のチタン原子に対するジルコニウム原子の割合は、モル比で、0%超25%未満である、請求項5に記載の圧電体素子の製造方法。
The second film further contains a zirconium atom and
The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 5, wherein the ratio of the zirconium atom to the titanium atom of the second film is more than 0% and less than 25% in terms of molar ratio.
前記PZT層形成工程において、
チタンアルコキシド化合物と、ジルコニウムアルコキシド化合物と、第3有機溶媒と、炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方とを添加して、第1溶液を調製し、
前記第1溶液に、水を添加した後、さらに、鉛原子、及び第4有機溶媒を含有する第2溶液を添加して、第3溶液を調製し、
前記第3溶液を前記下地層の表面に塗布して、前記第3膜を形成する、請求項5又は請求項6に記載の圧電体素子の製造方法。
In the PZT layer forming step,
A first solution is prepared by adding a titanium alkoxide compound, a zirconium alkoxide compound, a third organic solvent, and at least one of a monocarboxylic acid having 1 to 8 carbon atoms and a dicarboxylic acid having 2 to 8 carbon atoms. death,
After adding water to the first solution, a second solution containing a lead atom and a fourth organic solvent was further added to prepare a third solution.
The method for manufacturing a piezoelectric element according to claim 5 or 6, wherein the third solution is applied to the surface of the base layer to form the third film.
前記圧電体層は、前記LNO層の表面に形成された前記チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるPZT層を含み、
チタンアルコキシド化合物と、ジルコニウムアルコキシド化合物と、第1有機溶媒と、炭素数1以上8以下のモノカルボン酸及び炭素数2以上8以下のジカルボン酸の少なくとも一方とを添加して、第1溶液を調製し、
前記第1溶液に、水を添加した後、さらに、鉛原子、及び第2有機溶媒を含有する第2溶液を添加して、第3溶液を調製し、
前記第3溶液を前記LNO層の表面に塗布して、鉛原子、チタン原子、ジルコニウム原子、及び第3有機溶媒を含む第3膜を形成し、
前記第3膜を、450℃以上600℃以下で加熱して、前記LNO層の表面に前記PZT層を形成するPZT層形成工程を含む、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の圧電体素子の製造方法。
The piezoelectric layer includes a PZT layer made of the lead zirconate titanate ceramics formed on the surface of the LNO layer.
A first solution is prepared by adding a titanium alkoxide compound, a zirconium alkoxide compound, a first organic solvent, and at least one of a monocarboxylic acid having 1 or more and 8 or less carbon atoms and a dicarboxylic acid having 2 or more and 8 or less carbon atoms. death,
After adding water to the first solution, a second solution containing a lead atom and a second organic solvent is further added to prepare a third solution.
The third solution is applied to the surface of the LNO layer to form a third film containing a lead atom, a titanium atom, a zirconium atom, and a third organic solvent.
The invention according to any one of claims 1 to 4, further comprising a PZT layer forming step of heating the third film at 450 ° C. or higher and 600 ° C. or lower to form the PZT layer on the surface of the LNO layer. Manufacturing method of piezoelectric element.
基板、第1電極層、圧電体層、及び第2電極層をこの順で備え、
前記第1電極層は、ニッケル酸ランタン系セラミックスからなるLNO層を有し、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなるPZT層を有し、
下記式(1)で表される変動率Aが10%以下であり、
下記式(2)で表される変動率Bが10%以下である、圧電体素子。
Figure 2022041246000008

(式(1)中、[A]は、前記PZT層の厚み方向の断面を走査透過型電子顕微鏡(STEM-EDX)で前記厚み方向に沿って分析をした、前記LNO層の表面から前記厚み方向の前記第2電極層側に第1距離離れた第1位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)を示し、[AX+100]は、前記分析をした、前記第1位置から前記厚み方向の前記第2電極層側に100nm離れた第2位置の濃度比(Ti濃度/Pb濃度)を示し、
式(2)中、[B]は、前記分析をした、前記第1位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)を示し、[BX+100]は、前記分析をした、前記第2位置の濃度比(Zr濃度/Pb濃度)を示す。)
The substrate, the first electrode layer, the piezoelectric layer, and the second electrode layer are provided in this order.
The first electrode layer has an LNO layer made of lanthanum nickelate ceramics.
The piezoelectric layer has a PZT layer made of lead zirconate titanate ceramics.
The volatility A represented by the following equation (1) is 10% or less.
A piezoelectric element having a volatility B represented by the following equation (2) of 10% or less.
Figure 2022041246000008

In the formula (1), [ AX ] is obtained by analyzing the cross section of the PZT layer in the thickness direction with a scanning transmission electron microscope (STEM-EDX) along the thickness direction from the surface of the LNO layer. The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the first position separated by the first distance is shown on the second electrode layer side in the thickness direction, and [ AX + 100 ] indicates the thickness direction from the first position in which the analysis was performed. The concentration ratio (Ti concentration / Pb concentration) of the second position separated by 100 nm is shown on the second electrode layer side of the above.
In the formula (2), [ BX ] indicates the concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) of the first position of the analysis, and [ BX + 100 ] indicates the concentration ratio of the second position of the analysis. The concentration ratio (Zr concentration / Pb concentration) is shown. )
JP2020146335A 2020-08-31 2020-08-31 Manufacturing method of piezoelectric element and piezoelectric element Pending JP2022041246A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020146335A JP2022041246A (en) 2020-08-31 2020-08-31 Manufacturing method of piezoelectric element and piezoelectric element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020146335A JP2022041246A (en) 2020-08-31 2020-08-31 Manufacturing method of piezoelectric element and piezoelectric element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022041246A true JP2022041246A (en) 2022-03-11

Family

ID=80499801

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020146335A Pending JP2022041246A (en) 2020-08-31 2020-08-31 Manufacturing method of piezoelectric element and piezoelectric element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022041246A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102663198B1 (en) * 2022-12-05 2024-05-03 성균관대학교산학협력단 Monitoring system for determining a maintenance cycle of a processing chamber, apparatus and method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102663198B1 (en) * 2022-12-05 2024-05-03 성균관대학교산학협력단 Monitoring system for determining a maintenance cycle of a processing chamber, apparatus and method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5649316B2 (en) Piezoelectric thin film, piezoelectric element, and method for manufacturing piezoelectric element
JP5599203B2 (en) Piezoelectric thin film, piezoelectric element, method for manufacturing piezoelectric element, liquid discharge head, and ultrasonic motor
WO2009157189A1 (en) Piezoelectric element and method for manufacturing the same
JP5599185B2 (en) Piezoelectric material and piezoelectric element
Chowdhury et al. Fundamental issues in the synthesis of ferroelectric Na0. 5K0. 5NbO3 thin films by sol− gel processing
US8075795B2 (en) Piezoelectrics, piezoelectric element, and piezoelectric actuator
JP2008042069A (en) Piezoelectric element, and its manufacturing method
Li et al. Ferroelectric and piezoelectric properties of La-modified lead-free (Bi0. 5Na0. 5) TiO3–(Bi0. 5K0. 5) TiO3–SrTiO3 thin films
Li et al. Enhanced dielectric and piezoelectric properties in lead-free Bi0. 5Na0. 5TiO3–BaTiO3–SrTiO3 thin films with seed layer
Sakka History of ferroelectric materials prepared by sol-gel method
JP2022041246A (en) Manufacturing method of piezoelectric element and piezoelectric element
KR20160138417A (en) Mn-doped pzt-based piezoelectric film formation composition and mn-doped pzt-based piezoelectric film
JP6481394B2 (en) Mn-doped PZT piezoelectric film
JP5328007B2 (en) Piezoelectric element and manufacturing method thereof
JP2012018944A (en) Method for producing ferroelectric film and ferroelectric element using the same
JP2012169400A (en) Manufacturing method of ferroelectric film and ferroelectric element using the same
JP2015192009A (en) Manganese- and niobium-doped pzt based piezoelectric material film
Li et al. Effects of LaNiO3 seeding layers on the crystal structure and electrical properties in 0.94 (Bi0. 5Na0. 5) TiO3–0.06 BaTiO3 thin films
Jiankang et al. Microstructure and electrical properties of Pb (Zr0. 52Ti0. 48) O3 ferroelectric films on different bottom electrodes
Nguyen et al. Transverse piezoelectric properties of Mn-doped Bi0. 5Na0. 5TiO3 thin films
JP2024071242A (en) Piezoelectric element and method for manufacturing piezoelectric element
JP2009054934A (en) Piezoelectric element
JP2018137334A (en) Pzt-based ferroelectric thin film and method of producing the same
TW201500291A (en) LaNiO3 thin film-forming composition and method of forming LaNiO3 thin film using the same
Malič et al. Mixed metallo-organic precursor systems

Legal Events

Date Code Title Description
A80 Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80

Effective date: 20200924