JP3640342B2 - 誘電体組成物の設計方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は主として準マイクロ波帯やマイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯等の高周波領域において用いられる、誘電体組成物に関する。本発明の好ましい適用例は、衛星通信機器や移動体通信機器、無線通信機器、高周波通信機器、それらの基地局等に用いられる、共振器および発振器、フィルタ、回路基板等を構成する高周波用誘電体組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
準マイクロ波帯やマイクロ波帯を中心とする現在の高周波通信において、共振器や発振器、フィルタを構成する基本技術として、高周波用誘電体組成物が用いられている。一般的に、この高周波用誘電体組成物に求められる特性は、共振周波数の温度係数が０に近く、高い比誘電率と高いＱ値を有していることである。
【０００３】
従来、この種の高周波用誘電体組成物として、特開平７−３７４２３に開示されたＢａ−Ｎｄ−Ｔｉ−Ｂｉ−Ｎｂ−Ｍｎ−Ｏ系材料や特願平１１−７０００５で提案されたＢａＯ−Ｎｄ₂Ｏ₃−ＴｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯ₂−ＣｕＯ系材料等が用いられてきた。特に、高いＱ値を有する材料として、複合ペロブスカイト形誘電体組成物が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
最近では、高速通信や通信チャネル数の増大に対応して、使用周波数帯の高周波化が進んでいる。このような高周波化に応じ、誘電体組成物に対してはさらに高いＱ値が求められつつある。しかしながら、従来の高周波用誘電体組成物では、ミリ帯やサブミリ波帯において、実用的レベルの高いＱ値を有していないのが現状であり、その損失によりバッテリーが長時間使用できないという問題が、電子部品や携帯端末の省電力化を妨げていた。とりわけ、誘電体組成物においては、使用周波数ｆとＱ値の積であるＱｆ値が一定になる傾向があるため、使用周波数の増大はＱ値を反比例で減少させてしまう。
【０００５】
さらに、前述の課題を克服すべく、高いＱ値を発現する誘電体組成物を新たに開発しようとしても、どのような誘電体組成物が高いＱ値を有する可能性があるのか全く分からなかった。新規誘電体組成物を開発する指針が存在しないため、様々な元素を組み合わせるという検討しか実行できず、膨大な開発時間と開発コストが無駄に費やされてきた。
【０００６】
従来の方法によって、Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．２４ １９８５に開示されたＢａ（Ｃｏ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は６００００ＧＨｚ）、Ｊ． Ａｍ． Ｃｅｒａｍ． Ｓｏｃ． Ｖｏｌ．６６ １９８３に示されたＢａ（Ｃｏ_1/3Ｔａ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は４６２００ＧＨｚ）やＢａ（Ｎｉ_1/3Ｔａ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は４９７００ＧＨｚ）、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｖｏｌ．４９ １９８３に記載されたＢａ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は５５４００ＧＨｚ）やＢａ（Ｍｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は９００ＧＨｚ）、Ｂａ（Ｚｎ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は８６９００ＧＨｚ）、特公平７−８４３４７に提案されたＢａ（Ｍｇ_1/3Ｔａ２／３）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は２０００００ＧＨｚ）、Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．２３ １９８４に開示されたＢａ（Ｍｎ_1/3Ｔａ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は１０９２００ＧＨｚ）、Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ． Ｖｏｌ．１２ １９９７に示されたＢａ（Ｎｉ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は４８０００ＧＨｚ）、特公平５−５７７８に示されたＢａ（Ｚｎ_1/3Ｔａ_2/3）Ｏ₃系材料（Ｑｆ値は１６９２００ＧＨｚ）が開発されてきた。前述の既存の高周波用誘電体組成物に関して、誘電特性の比較例を表１にまとめた。
【０００７】
【表１】

【０００８】
しかしながら、それらの材料ではＱｆ値が２０００００ＧＨｚ程度までの組成物、または、その不純物や製造方法などを変えた改善しか行われていなかった。また、誘電体組成物結晶の原子配位構造、あるいは、それとＱｆ値との相関を顕在化させることは、今まで実施されていない。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、上記の問題を解決し、安価で短時間に、高周波領域において高いＱ値を実現する誘電体組成物を新たに開発することができる、誘電体組成物の設計方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は下記（１）〜（３）の本発明により達成される。
【００１１】
（１） 誘電体組成物を設計する手段であって、前記誘電体組成物が規則配列を有する結晶構造の格子エネルギを最小になるよう結晶構造を最適化するステップと、前記誘電体組成物が不規則配列を有する結晶構造、もしくは、該不規則配列を近似したモデル構造の格子エネルギを、最小になるよう結晶構造を最適化するステップとを含み、最適化した前記規則配列構造の単位原子当たり格子エネルギＥ_ORDと、最適化した前記不規則配列構造、もしくは、該不規則配列を近似したモデル構造の単位原子当たり格子エネルギＥ_DISの差の絶対値である、｜ΔＥ_DIS-ORD｜を求めることから、誘電体組成物のＱ値を見積もる手段を講じ、Ｑ値の高い誘電体組成物を設計することを特徴とする誘電体組成物の設計方法。
【００１２】
（２） （１）に記載された誘電体組成物の設計方法にあって、誘電体組成物
Ａ^p+ｘ（Ｂ’^q+ｙＢ”^r+ _1-y）ｚＯ₂ ^-ｗが
ｗ＝０．５×（ｐ×ｘ＋（ｑ×ｙ＋ｒ×（１−ｙ））×ｚ）
かつ
０≦ｙ≦１
なる関係をもち、該誘電体組成物の規則配列構造は、前記誘電体組成物のＢサイトによる、ｙ：（１−ｙ）の規則配列から形成されていることを特徴とする、誘電体組成物の設計方法。
【００１３】
（３） （１）または（２）に記載された誘電体組成物の設計方法にあって、複合ペロブスカイト形誘電体組成物Ａ²⁺（Ｂ’²⁺ _1/3Ｂ”⁵⁺ _2/3）Ｏ₂ ^-３を設計することを特徴とする、誘電体組成物の設計方法。
【００１４】
本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照して、更に詳しく説明する。但し、本発明の技術的範囲がこれらの図示実施例に限定されないことは言うまでもない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係わる誘電組成物の結晶構造を示す模式図、図２はそのＢサイトを形成するＢ’イオンとＢ”イオンの配列を表す模式図である。
【００１６】
本発明に係わる誘電体組成物は＋２価・１２配位のＡイオンと＋２価・６配位のＢ’イオン、＋５価・６配位のＢ”イオン、−２価・２配位の酸素イオンにより構成される、複合ペロブスカイト形誘電体組成物Ａ²⁺（Ｂ‘²⁺ _1/3Ｂ“⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃を基本とした超格子構造である。前記の複合ペロブスカイト形誘電体組成物では、Ｂ’イオンとＢ”イオンがＢサイトにおいて不規則に配列していた場合には、図３の結晶構造を形成する。この結晶構造は単純ペロブスカイト構造と呼ばれ、Ｐ_m3m（Ｏ¹ _h）の空間群に対応する。
【００１７】
前記複合ペロブスカイト形誘電体組成物の［１１１］軸方向に沿って、図２に示したような、Ｂ’²⁺イオンとＢ”⁵⁺イオンとのＢサイトとの配列が１：２の規則配列を成すと六方晶の３倍超格子構造を形成し、Ｐ_-3m1（Ｄ³ _3d）の空間群を有する。図１に示された３倍超格子構造が、本発明に係わる誘電体組成物の結晶構造である。ただし、この超格子構造に基づく該発明の誘電体組成物は、Ｑ値を著しく低下させない限り、不規則配列を有する結晶相や他の不純物相を含有してもよい。好ましくは、これらの異相成分は１０重量％以下に制御する。また、前記誘電体組成物を構成する元素は＋２価のＡイオンと＋２価のＢ’イオン、＋５価のＢ”イオン、−２価の酸素イオンの計４種類を基本とするが、Ｑ値の著しい低下とならない限りは、各イオンが複数の元素より形成されていてもよく、各イオンサイトが規定値以外の価数元素を含有してもよい。さらには、＋２価のＡイオンと＋２価のＢ’イオンが同一の元素であってもよい。
【００１８】
次に、Ｂサイト規則配列に対応する六方晶３倍超格子構造と、Ｂサイト不規則配列の構造、もしくは、不規則構造を近似するモデル構造の格子エネルギを算出する。計算に当たっては、分子設計計算科学法により、最適な結晶構造を算出し、該結晶構造における格子エネルギを求める。これらの格子エネルギは単位原子当たりに換算して、使用する。
【００１９】
最適な結晶構造とは、格子エネルギが最小値を有する場合の結晶構造に他ならない。分子設計計算科学法としては、第一原理法やＤＶ−Ｘα法、分子軌道法、分子動力学法、ポテンシャル法等を使用してシミュレートする手法が好ましいが、格子エネルギが算出できるのならば、どのような手段を用いてもよい。また、不規則構造の計算に当たっては、その構造自体を計算することが最適であるが、その構造を近似できるようなモデル構造を計算対象としてもよい。一般的に、不規則構造自体をシミュレートすることは、計算能力や計算時間等の面から困難を伴うことが多いため、近似モデル構造を使用することが望ましい場合もある。
【００２０】
そして、前記の六方晶３倍超格子構造の単位原子当たり格子エネルギＥ_ORDと、不規則配列の構造、もしくは、不規則配列を近似するモデル構造の単位原子当たり格子エネルギＥ_DISの差であるΔＥ_DIS-ORDが
【００２１】
【数３】

を満たす誘電体組成物が本発明に係わるものである。
【００２２】
上式（１）は発明者が鋭意研究を重ねた結果、導出された関係式である。発明者は既存の高周波用誘電体組成物に対するΔＥ_DIS-ORDを計算することにより、図４に示すような、格子エネルギ差ΔＥ_DIS-ORDとＱｆ値の間に強い相関が存在することを見いだした。その相関により得られた、ΔＥ_DIS-ORDとＱｆ値との関係式は、
【００２３】
【数４】

にて表される。なお、ｋとｋ“は結晶構造によるパラメータであり、本一実施例における値は、ｋ＝１５８０１．３、ｋ”＝２８．３となっている。
【００２４】
使用周波数帯の高周波化に伴い、既存の誘電体組成物では、その周波数帯において必要なＱ値が得られないという課題がある。表１と図４にまとめた、既存の誘電体組成物では、ΔＥ_DIS-ORDが７７．８（ｍｅＶ／ａｔｏｍ）以下の値しかとることができていない。そのため、誘電体組成物のＱｆ値が２０００００（ＧＨｚ）程度しか、保有することができないという大きな問題が存在した。
【００２５】
しかし、（１）式の関係を満足できる新たな誘電体組成物を設計することにより、容易にこの課題を解決することができる。発明者は（１）式を満たす誘電体組成物を既に見いだしており、実施例において詳しく説明する。
【００２６】
【実施例】
以下に、実施例により、本発明を更に具体的に明らかにする。
【００２７】
出発原料として、化学的に高純度な炭酸バリウム粉末（ＢａＣＯ₃）、酸化マグネシウム粉末（ＭｇＯ）、酸化タンタル粉末（Ｔａ₂Ｏ₅）を使用し、それらをＢａ：Ｍｇ：Ｔａ＝３：１：２のモル比となるように秤量し、ボールミルを用いて湿式混合処理した。次いで、得られた混合物を乾燥し、１０００℃で２時間仮焼を行った後、この仮焼粉をさらにボールミルで３０時間湿式粉砕せしめ、ポリビニルアルコールを適当量加え、造粒を行った。この造粒物を９．８×１０⁷Ｎ／ｍ²の圧力にて、φ１２ｍｍ×ｔ７ｍｍサイズの円板を成形し、この成形体を１６５０℃で１０時間本焼成を実施して、磁器試料を得た。ここで、φは直径を、ｔは厚さを表す。
【００２８】
得られた磁器試料をφ１０ｍｍ×ｔ５ｍｍサイズに加工し、両端短絡形誘電体円柱共振器法により誘電特性を評価した。その結果、測定周波数８．４ＧＨｚにおいて、比誘電率εｒ：２４、Ｑ値：２９８００が得られた。この結果を図４に併記してあるが、ΔＥ_DIS-ORDとＱｆ値との関係式（２）を十分に満たしており、本相関式の有効性が実証された。
【００２９】
本発明の一実施例における誘電体組成物においては、＋２価・１２配位のＢａイオンと＋２価・６配位のＨｇイオン、＋５価・６配位のＴａイオン、−２価・２配位のＯイオンにより構成される、複合ペロブスカイト形誘電体組成物Ｂａ²⁺（Ｈｇ²⁺ _1/3Ｔａ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃を基本とする。
【００３０】
Ｐ_m3m（Ｏ¹ _h）の空間群を持つ不規則配列構造を近似したモデル構造とＰ_-3m1（Ｄ³ _3d）の空間群を有する六方晶３倍超格子構造に対して、第一原理法を用いて最適な結晶構造を算出した。計算に当たっては、ウルトラソフト擬ポテンシャルと平面波関数を使用し、密度汎関数法（局所密度近似）のもとでＫａｈｎ−Ｓｈａｍ方程式を解いた。
【００３１】
不規則配列を近似するモデル構造としては、９倍超格子構造を用いた。複合ペロブスカイトのＢサイトに、ＨｇイオンとＴａイオンが並ぶ様々な形態を幾何学的に記述させてやることにより、最もＢサイトの配列が不規則形に近い結晶構造を抽出した結果、９倍超格子構造が選択された。
【００３２】
上述の計算対象となる２構造に対する、格子エネルギが最小値となるように、シミュレートした結果から得られた最適な結晶構造として、各元素の原子座標（ｘ，ｙ，ｚ）や各軸の格子定数ａ，ｂ，ｃ、結晶角α、β、γを、規則配列構造については表２に、不規則配列モデル構造については表３にまとめた。
【００３３】
【表２】

【００３４】
【表３】

【００３５】
単位原子当たり格子エネルギ算出結果より、その差が
【数５】

と求められ、高周波領域において、Ｑｆ＝３９００００程度の高いＱ値を保有する新規な誘電体組成物Ｂａ²⁺（Ｈｇ²⁺ _1/3Ｔａ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃を設計することができた。
【００３６】
本実施例においては、膨大な元素の組み合わせを変更するような、著しく労力と費用を要する組成開発実験を行うことなく、開発時間と開発コストを縮小した新規組成物を設計することができた。
【００３７】
次に、本発明の他の実施例を図４にまとめた。前述と同様の分子設計計算科学法を使用することにより、
Ｂａ²⁺（Ｃｄ₂ ⁺ _1/3Ｎｂ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃：
△Ｅ＝８４．９（ｍｅＶ／ａｔｏｍ）、Ｑｆ＝３１７０００（ＧＨｚ）
Ｂａ²⁺（Ｃｄ₂ ⁺ _1/3Ｔａ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃：
△Ｅ＝８７．１（ｍｅＶ／ａｔｏｍ）、Ｑｆ＝３４３０００（ＧＨｚ）
Ｂａ²⁺（Ｓｒ²⁺ _1/3Ｎｂ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃：
△Ｅ＝１１３．７（ｍｅＶ／ａｔｏｍ）、Ｑｆ＝８７７０００（ＧＨｚ）
Ｂａ²⁺（Ｓｒ²⁺ _1/3Ｔａ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃：
△Ｅ＝１２８．５（ｍｅＶ／ａｔｏｍ）、Ｑｆ＝１４８１０００（ＧＨｚ）
Ｂａ²⁺（Ｃａ²⁺ _1/3Ｎｂ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃：
△Ｅ＝８６．３（ｍｅＶ／ａｔｏｍ）、Ｑｆ＝３３３０００（ＧＨｚ）
とＢａ²⁺（Ｈｇ²⁺ _1/3Ｔａ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃を含め、計６組成物が、高周波領域において、非常に高いＱ値を保有する新規な誘電体組成物であることが導出された。
【００３８】
また、本発明による設計方法の実施例の一つとして、Ｂａ²⁺（Ｃｕ²⁺ _1/3Ｎｂ５＋_2/3）Ｏ^2- ₃やＢａ²⁺（Ｃｕ²⁺ _1/3Ｔａ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃、Ｂａ²⁺（Ｖ²⁺ _1/3Ｎｂ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃、Ｂａ²⁺（Ｖ²⁺ _1/3Ｎｂ⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃の組成物に対して、Ｂサイト規則配列を有する結晶構造とＢサイト不規則配列を近似したモデル構造を、それらの格子エネルギが最小になるよう結晶構造を最適化した。その結果、最適化した前記規則配列構造の単位原子当たり格子エネルギＥ_ORDと、最適化した前記不規則配列モデル構造の単位原子当たり格子エネルギＥ_DISの差の絶対値、｜ΔＥ_DIS-ORD｜を求め、それらの計算値を図４に併記した。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、安価かつ短時間に、高周波領域において高いＱ値を実現する誘電体組成物を新たに開発するための設計方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わる、誘電体組成物の六方晶３倍超格子構造を示す模式図である。
【図２】 図１のＢサイトを形成する、Ｂ’イオンとＢ”イオンとの配列が１：２の規則配列を表す模式図である。
【図３】 複合ペロブスカイト形誘電体組成物において、Ｂサイトが不規則配列を形成した、単純ペロブスカイト構造を示す模式図である。
【図４】 本発明により新たに設計された、高周波領域において高いＱ値を発揮する誘電体組成物、および、既存の高周波用誘電体組成物に関して、格子エネルギ差ΔＥ_DIS-ORDとＱｆ値の相関関係を示したグラフである。

Claims (3)

1. 誘電体組成物を設計する手段であって、前記誘電体組成物が規則配列を有する結晶構造の格子エネルギを最小になるよう結晶構造を最適化するステップと、前記誘電体組成物が不規則配列を有する結晶構造、もしくは、該不規則配列を近似したモデル構造の格子エネルギを、最小になるよう結晶構造を最適化するステップとを含み、最適化した前記規則配列構造の単位原子当たり格子エネルギＥ_ORDと、最適化した前記不規則配列構造、もしくは、該不規則配列を近似したモデル構造の単位原子当たり格子エネルギＥ_DISの差の絶対値である、｜ΔＥ_DIS-ORD｜を求めることから、誘電体組成物のＱ値を見積もる手段を講じ、Ｑ値の高い誘電体組成物を設計することを特徴とする誘電体組成物の設計方法。
2. 請求項１に記載された誘電体組成物の設計方法にあって、誘電体組成物Ａ^p+ｘ（Ｂ’^q+ｙＢ”^r+ _1-y）ｚＯ^2-ｗが
   ｗ＝０．５×（ｐ×ｘ＋（ｑ×ｙ＋ｒ×（１−ｙ））×ｚ）
   かつ
   ０≦ｙ≦１
   なる関係をもち、該誘電体組成物の規則配列構造は、前記誘電体組成物のＢサイトによる、ｙ：（１−ｙ）の規則配列から形成されていることを特徴とする、誘電体組成物の設計方法。
3. 請求項１または２に記載された誘電体組成物の設計方法にあって、複合ペロブスカイト形誘電体組成物Ａ²⁺（Ｂ’²⁺ _1/3Ｂ”⁵⁺ _2/3）Ｏ^2- ₃を設計することを特徴とする、誘電体組成物の設計方法。

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