JP4032189B2 - Method for producing layered crystal structure oxide - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるオーリビリウス結晶群や超伝導材料などの層状結晶構造酸化物の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ビスマス層状結晶構造酸化物は、110Kの臨界温度を有するビスマス超伝導酸化物、または、最近、強誘電体不揮発性メモリ(FeRAM)用材料として脚光を浴びているビスマス層状強誘電材料(C. A-Paz de Araujo, J. D. Cuchiaro, L. D. McMillan, M. C. Scott and J. F. Scott, Nature, 374 (1995) 627.;K. Amanuma, T. Hase and Y. Miyasaka, Appl. Phys. Lett., 66 (1995) 221.;S. B. Desu and D. P. Vijay, Master. Sci. and Eng., B32 (1995) 75. など)など、産業上にも極めて重要な化合物群を形成している。特に、ビスマス・ストロンチウム・タンタレート:Bi2 SrTa2 9 (以下、BiSTaという)は、分極反転に伴う疲労耐性に優れると共に、低電圧駆動が可能であることが示され、FeRAM用キャパシタ材料の最有力候補と考えられている(C. A. Paz de Araujo, J. D. Cuchiaro, M. C. Scitt and L. D. McMillan, International Patent Publication No.WO 93/12542 (24 June 1993) )。
【0003】
最近では、このBiSTaについて、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition )法により薄膜の作製に成功したとの報告もなされている(T. Ami, K. Hironaka, C. Isobe, N. Nagel, M. Sugiyama, Y. Ikeda, K. Watanabe, A. Machida, K. Miura and M. Tanaka, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 415 (1996) 195.;T. Li, Y. Zhu, S. B. Desu, C-H. Peng, M. Nagata, Appl. Phys. Lett., 68 (1996) 616.)。
【0004】
ところで、BiSTaの組成と強誘電性との関係についてはこれまでに多くの議論がなされており、ビスマスがやや過剰でストロンチウムがやや欠損した組成、典型的にはBi2.2 Sr0.8 Ta2 9 近傍において最も優れた強誘電性が得られるといわれている(T. Noguchi, T. Hase and Y. Miyasaka, Jpn. J. Appl. Phys. 34, 4900 (1996)など)。このようなことから、この最適組成においてはビスマスとストロンチウムとの部分置換が生じているのではないかという推測がされている。
【0005】
しかし、組成に関するこれらの議論の多くは出発原料の組成に基づいて行われており、また、そうでない場合でも粒界その他に副生成相の存在し得る多結晶薄膜に基づいて行われているので、データ精度の上で問題がある。例えば、X線分析においては単相であるとされても、高分解能透過型電子顕微鏡(TEM;Transmission Electron Microscope)による観察では非結晶相の存在が確認されたとの報告もある(C. D. Gutleben, Y. Ikeda, C. Isobe, A. Machida, T. Ami, K. Hironaka and E. Morita, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 415 (1996) 201.)。従って、元素の部分置換が生じているか否かも全く不明である。
【0006】
また、これを結晶構造の観点から考えてみると、このBiSTaはいわゆるオーリビリウス結晶群とよばれるものであり、Bi2 SrTa2 9 の基本的な結晶構造(母体構造;空間群I4/mmm又はF4/mmm)は図1に示したようになる。ちなみに、オーリビリウス結晶群というのは、組成式が〔Bi2 2 2+〔Mem-1 m 3 m+1 2-で表されるものである(mは2以上の整数、Meはナトリウム(Na),カリウム(K),カルシウム(Ca),バリウム(Ba),ストロンチウム(Sr),鉛(Pb),ビスマス(Bi)からなる群のうちの少なくとも1種、Rは鉄(Fe),チタン(Ti),バナジウム(V),ニオブ(Nb),タンタル(Ta),タングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種)。
【0007】
図1に示したように、BiSTaは、ストロンチウムをAサイト,タンタルをBサイトとするペロブスカイト構造(ABO3 )の2単位格子よりなる層(ペロブスカイト層)を、ビスマスと酸素とで構成するフルオライト構造の層(フルオライト層)とで挟んだ構造を有していると考えることができる。このうちペロブスカイト層が強誘電性を担い、フルオライト層が結晶構造を保つ機能を有していると一般的には考えられている。なお、ペロブスカイト層の境界におけるAサイトのビスマスはフルオライト層と共有となっている。
【0008】
ところが、MOCVD法による生成プロセス研究により、この物質は不定比性が大きく、図25に示した準安定なフルオライト相を結晶核としてこれを熱処理することにより生成し得ることが明らかとなっている(T. Ami, K. Hironaka, C. Isobe, N. Nagel, M. Sugiyama, Y. Ikeda, K. Watanabe, A. Machida, K. Miura and M. Tanaka, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 415 (1996) 195.)また、別の研究において、生成プロセスの低温化などによりフロオライト相の結晶性を低下させ、むしろアモルファスに近い前駆体を形成した場合にも、その後の熱処理プロセスにおいてこのフルオライト相を経由して上述した層状結晶構造となることが確認されている(C. Isobe et al., 9th Int'l Symp. on Integrated Ferroelectrics Abstr. & Program, 79i )。この場合、フルオライト相には金属サイトは1つしか存在しないので、広い組成範囲にわたってビスマスとストロンチウムとタンタルの全ての金属元素が等価なサイトを占有していると考えられる。
【0009】
なお、フルオライト相には、例えば、部分安定ジルコニアにおいてジルコニウム(Zr)サイトにかなり多量のアルカリ土類金属その他を固溶させることができ、また酸化ウランにおいて酸素過剰型の不定比化合物を構成できることから分かるように、不定比性が存在している。このような不定比性があるということは、当然、欠陥についてもあてはまり、陽イオン,陰イオンともに大きな欠陥密度を保有し得る。実際、このフルオライト構造においては、理想的には陽イオンの周りに陰イオンが8配位すべきであるが、δ−Bi2 3 のように、この構造を保ちつつ酸素欠陥によりビスマスの酸素配位数が6程度まで減少している例もある(ICPDS, 16-654; d-Bi2O3; Gattow and Schroder, Z. Anorg. allgem. chem. 318 (1962), 176)。この場合、8配位で正六面体を形成していた酸素原子のうち、互いに対角な2つの酸素原子が選択的に欠損し、残された酸素原子はビスマスの周りで歪んだ八面体を形成している。このような性質から、フルオライト相は格子歪みおよび結晶中の不均一歪みに対しても寛容であり、典型的にはジルコニアにおいて、格子歪みにより正方晶から室温で単斜晶系まで対称性が低下し、酸素は7配位をとり、不均一歪みによりθ−2θ走査によるX線回折ピークの半値幅が数度もしくはそれ以上に及ぶ場合も珍しくない。
【0010】
一方、フルオライト相程ではないが、図26に示したペロブスカイト相にも若干の不定比性が存在する。Aサイトの不定比性の例としては、酸化物超伝導材料、例えばLa2 CuO4 のランタンサイトにバリウムやストロンチウムやカリウムを添加したものなど多々ある。Bサイトの不定比性の例としては、BaBiO3 のビスマスサイトに鉛を添加したものがある。
【0011】
このように、この物質は、生成メカニズムの見地からは「不定比性が大きく準安定なフルオライト相から熱処理によって金属原子が秩序化した構造」ということができる。但し、その構造自身の中にもフルオライト構造の一部を留めていること、またペロブスカイト部分にもある程度の不定比性があることを考える合わせると、この秩序化が常に完全な形で進行するとは考えにくい。組成ずれがある場合にはなおさらである。
【0012】
そこで、このような組成および結晶化学的側面について議論するには、試料として単結晶が極めて重要となる。オーリビリウス結晶群の単結晶に関しては、Bi4 Ti3 12(m=3;Me=Bi;R=Ti)(J. F. Dorrian, R. E. Newnham, D. K. Smith and M. I. Kay, Ferroelectrics, 3 (1971) 17. など)や、また最近ではBi4 BaTi4 15(m=4;Me=Bi,Ba;R=Ti)(S-K. Kim, M. Miyayama and H. Yanagida, J. Ceram. Soc, Japan, 102(1994) 722. など)について研究がなされている。しかし、BiSTaに関しては、信頼性に足る報告例が極めて少ない(R. E. Newnham, R. W. Wolfe, R. S. Horsey, F. A. Diaz-Colon and M. I. Kay, Mater. Res. Bull., 8 (1973) 1183. ; A. D. Rae, J. G. Thompson and R. L. Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418. )。しかも、BiSTaに関する2つの論文のうちNewnhamによるものは組成の扱いなど精密さに欠け、Raeによるものは定比組成で出発しているものの2相混合状態でしか板状の単結晶が得られておらず、単一相としての合成には至っていない。更に、双方とも得られた単結晶の特性に関する解析については殆どなされていない。
【0013】
すなわち、オーリビリウス結晶群の単結晶を作製し、その結晶化学的側面を明らかにすることは、強誘電性を示す材料としてFeRAMに応用する上で非常に重要な意味を有する。また、これらのオーリビリウス結晶群は、その組成または結晶性により常誘電性を示す可能性も示唆されており(町田暁夫、長沢直美、網隆明、鈴木真之、1996年秋期大57回応用物理学会[9p-F-2])、新たなDRAM材料として、またこれらを新たな積層デバイスなどに用いる上でも重要な意味を有する。
【0014】
なお、オーリビリウス結晶群の単結晶の作製に関しては、高温超伝導酸化物を作製する際に用いられたセルフ・フラックス法(Y. Hidaka, Y. Enomoto, M. Suzuki, M. Oda and T. Murakami, J. Cryst. Growth, 85 (1987) 581.; Y. Hidaka, M. Oda, M. Suzuki, Y. Maeda, Y. Enomoto and T. Murakami, Jpn, J. Appl. Phys., 27 (1988) L538.を参照)の応用が提案されている(M. Suzuki, N. Nagasawa, A. Machida and T. Ami, Jpn, J. Appl. Phys., 35 (1996) L564. )。ちなみに、フラックス法というのは、原料にフラックス(融剤)を適度に加えて加熱することにより融液を作製し、これを徐々に冷却して目的の結晶核を発生させ結晶を育成するものである。このフラックス法では、通常、結晶を育成させた後もフラックスが残存しており、育成した結晶をフラックスから分離して取り出す必要がある。
【0015】
しかしながら、このオーリビリウス結晶群をセルフ・フラックス法により作製した場合、例えば、湯洗いによりフラックスを除去しようとしてもフラックスが水に溶解しないので除去することができず、また、塩酸(HCl)などの酸によりエッチングしてフラックスを除去しようとしてもフラックスと共に育成した結晶も浸食されてしまうので、結晶を取り出すことが困難であるという問題があった。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる背景および問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、強誘電性および常誘電性を示す層状結晶構造酸化物を容易に製造することができる層状結晶構造酸化物の製造方法を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明の層状結晶構造酸化物の製造方法は、セルフ・フラックス法を用いて層状結晶構造酸化物を製造するものであって、フラックスを加えた原料を融点以上の温度に加熱したのち、融点以上の温度に一定時間保持することにより、層状結晶構造酸化物を取り出すことができる程度までフラックスを蒸発させて層状結晶構造酸化物を製造するものである。
【0023】
本発明の層状結晶構造酸化物の製造方法では、原料にフラックスを加えて融点以上の温度に加熱し、融点以上の温度に一定時間保持する。これにより、フラックスが層状結晶構造酸化物を取り出すことができる程度まで蒸発し、層状結晶構造酸化物を取り出すことができる。
【0024】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0025】
本実施の形態に係る層状結晶構造酸化物は、ビスマスと第1の元素Meと第2の元素Rと酸素とから構成されている。第1の元素はナトリウム,カリウム,カルシウム,バリウム,ストロンチウム,鉛およびビスマスからなる群のうちの少なくとも1種であり、第2の元素は鉄,チタン,バナジウム,ニオブ,タンタルおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種である。なお、第1の元素Meとしてはストロンチウム,鉛,バリウムおよびカルシウムからなる群のうちの少なくとも1種、第2の元素Rとしてはニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。また、更には、第1の元素Meとしてはストロンチウムおよびカルシウムからなる群のうちの少なくとも1種が好ましく、特には、第1の元素Meとしてはストロンチウム、第2の元素Rとしてはタンタルが好ましい。
【0026】
化1にこの層状結晶構造酸化物の化学量論的な組成式を示す。但し、本実施の形態に係る層状結晶構造酸化物は、化学量論的なものに限らず、化学量論的な組成からずれているものも含んでいる。
【0027】
【化1】
[Bi2 2 2+[Mem-1 m 3m+12-
Me;第1の元素
R ;第2の元素
m ;2,3,4または5のいずれかの整数
【0028】
また、化1に示した組成式におけるmが2の層状結晶構造酸化物の基本的な結晶構造を図1に示す。このように、この層状結晶構造酸化物は、[Bi2 2 2+に該当するフルオライト層11と、[Mem-1 m 3m+12-に該当するペロブスカイト層12とが交互に積層されており、異方的なa軸劈開性を有している(H. Maeda, Y. Tanaka, M. Fukutomi and T. Asano, Jpn. J. Appl. Phys., 27 (1988) L209. ; K. Hiraga, M. Hirabayashi, M. Kikuchi and Y. Syono, Jpn. J. Appl. Phys., 27 (1988) L573. を参照)。
【0029】
なお、図1には示していないが、この層状結晶構造酸化物は、異なる格子位置の少なくとも2種の元素が部分置換している場合がある。例えば、ビスマスと第1の元素Meと第2の元素Rとがそれぞれ互いに部分置換していたり、ビスマスと第1の元素Meとが互いに部分置換している場合がある。
【0030】
また、同じく図1には示していないが、この層状結晶構造酸化物は、少なくとも1種の元素が部分欠損またはディスオーダーしている場合がある。例えば、フルオライト層11を構成する酸素が選択的に欠損あるいはディスオーダーしていたり、フルオライト層11とペロブスカイト層12との境界に位置する頂点酸素がディスオーダーしている場合がある。
【0031】
更に、同じく図1には示していないが、この層状結晶構造酸化物は、フルオライト層11の陽イオン(すなわちビスマス、またはビスマスサイトに置換している第1の元素Meあるいは第2の元素R)と陰イオン(すなわち酸素)とが互いに分極軸(c軸)方向に単位格子長(C0 ≒5.5Å)の3%以上相対変位している場合もある。なお、強誘電性は、結晶全体での陽イオンと陰イオンとの相対変位で決定されるものであるが、一般にはあまり強誘電性には寄与しないと考えられているフルオライト層に関しても、この相対変位は大きいほど望ましいと考えられる。例えば、5%以上であれば好ましく、7%以上であればより好ましい。
【0032】
加えて、この層状結晶構造酸化物は、常誘電性を示すものと、c軸方向に強誘電性を示すものとがある。これは、結晶性、或いは元素の部分置換や部分欠損や変位の相違により、異なった性質が表れてくるものと思われる。
【0033】
このように本実施の形態に係る層状結晶構造酸化物によれば、異なる格子位置の少なくとも2種の元素が部分置換しているので、または少なくとも1種の元素が部分欠損またはディスオーダーしているので、完全結晶のものに比べて、強誘電性あるいは常誘電性を示す物質を容易に得ることができる。よって、強誘電性を示すものについてはFeRAMなどに容易に応用することができ、常誘電性を示すものについては常誘電性を示す新たな物質としてコンデンサを形成する際の助剤やDRAM用のキャパシタ材料に用いることができる。
【0034】
また、本実施の形態に係る層状結晶構造酸化物によれば、フルオライト層11の陽イオンと陰イオンとが互いに分極軸方向に単位格子長の3%以上相対変位しており、強誘電性を示す物質を得ることができる。よって、FeRAMなどに応用することができる。
【0035】
このような構成を有する層状結晶構造酸化物は、次のようにして製造することができる。なお、ここでは、本発明の層状結晶構造酸化物の製造方法も合わせて説明する。
【0036】
まず、適宜な酸化物原料を適宜の割合で混合する。例えば、化学量論的な組成式がBi2 Sr1 Ta2 9 である層状結晶構造酸化物を製造する場合には、原料として酸化ビスマス(Bi2 3 )と炭酸ストロンチウム(SrCO3 )と酸化タンタル(Ta2 5 )とをそれぞれ用意し、酸化ビスマス45〜80,炭酸ストロンチウム10〜15,酸化タンタル10〜15のモル比で混合する。なお、好ましくは酸化ビスマス46.6〜79.0,炭酸ストロンチウム10.5〜14.3,酸化タンタル10.5〜14.3であり、最も好ましくは酸化ビスマス79.0,炭酸ストロンチウム10.5,酸化タンタル10.5である。
【0037】
ここでは酸化ビスマスをフラックスとして用いるので、酸化ビスマスのモル比が高くなっている。このように、ビスマスを含む層状結晶構造酸化物を製造する場合には、酸化ビスマスをフラックスとして用いるのが特に好ましい。
【0038】
次いで、フラックスとしての酸化ビスマスを加えた原料を適宜なルツボに入れ、それを適宜な炉に挿入して、加熱処理をする。
【0039】
図2は本実施の形態において用いる二重ルツボ20の構成を表すものである。この二重ルツボ20は、原料Mを入れる白金ルツボ21と、この白金ルツボ21を入れるアルミナルツボ22とを備えている。また、アルミナルツボ22の上にはアルミナの蓋23を被せるようになっている。このように、二重ルツボ20を用いて原料Mを溶融するのは、ビスマス化合物の蒸発を制御するためである。
【0040】
図3は本実施の形態において用いる縦型シリコニット炉30の構成を表すものである。この縦型シリコニット炉30は、縦に配設された炉心管31を備えており、この炉心管31のほぼ中央付近に載置台32に載置された二重ルツボ20が挿入されるようになっている。この炉心管31は、例えばアルミナ(Al2 3 )やムライトにより形成されている。
【0041】
炉心管31の外周近傍にはヒータ33が配設されると共にその外周は断熱材34で覆われており、二重ルツボ20の近傍において均熱部Aが形成されている。この均熱部Aの温度は均熱部A近傍に配設された熱電対35により測定することができるようになっている。なお、この均熱部Aにおける炉心管31内の体積は二重ルツボ20の体積に対して5倍〜30倍となっている。この体積比はビスマス化合物の蒸発を制御する上において重要である。
【0042】
また、炉心管31の上部には蓋36が配設されており、その近傍にはビスマス化合物を排気するための図示しない強制排気装置が配設されている。すなわち、炉心管31は、二重ルツボ20から蒸発してきたビスマス化合物がヒータ33に付着することを防止しつつ、蒸発してきたビスマス化合物を図示しない強制排気装置まで導くための排気路としての役割を有している。
【0043】
図4はこの縦型シリコニット炉30により加熱処理する際の温度条件を表すものである。このように、本実施の形態においては、まず、適宜な昇温速度により原料Mを融点以上(例えば1330℃以上1450℃以下)に加熱し(加熱工程)、次いでこの加熱温度で所定時間維持し(定温工程)、続いて自然放冷よりも遅い速度(例えば1℃/hour以上20℃/hour以下)で例えば800℃以上1300℃以下の温度まで徐冷する(徐冷工程)。すなわち、これにより、フラックスとしての酸化ビスマスを加えた原料を融点以上の温度に所定時間保持し、フラックスを実質的に全て蒸発させる。そののち、自然放冷により室温まで冷却する(自然冷却工程)。なお、図4に示した例では、加熱工程において、酸化ビスマスの融点1330℃以上に加熱するようになっている。
【0044】
更に、この加熱処理に関する好ましい具体例をいくつか説明すれば、例えば、適宜な昇温速度により原料Mを1350℃以上1450℃以下に加熱し(加熱工程)、次いでこの加熱温度で1時間よりも長く3時間よりも短い時間維持し(定温工程)、続いて1℃/hour以上5℃/hour以下の徐冷速度により800℃以上1300℃以下の温度まで徐冷する(徐冷工程)。そののち、自然放冷により室温まで冷却する(自然冷却工程)。
【0045】
また、例えば、適宜な昇温速度により原料Mを1350℃以上1450℃以下に加熱し(加熱工程)、次いでこの加熱温度で10時間よりも長く40時間よりも短い時間維持し(定温工程)、続いて5℃/hour以上20℃/hour以下の徐冷速度により例えば800℃以上1300℃以下の温度まで徐冷する(徐冷工程)。そののち、自然放冷により室温まで冷却する(自然冷却工程)。
【0046】
また、例えば、適宜な昇温速度により原料Mを1330℃以上1370℃以下に加熱し(加熱工程)、次いでこの加熱温度で40時間よりも長く50時間よりも短い時間維持し(定温工程)、続いて1℃/hour以上5℃/hour以下の徐冷速度により例えば800℃以上1300℃以下の温度まで徐冷する(徐冷工程)。そののち、自然放冷により室温まで冷却する(自然冷却工程)。
【0047】
ここにおいて、定温工程での維持時間が長すぎても短すぎても不純物層が生成してしまう。例えば、化学量論的な組成式がBi2 Sr1 Ta2 9 である層状結晶構造酸化物を製造する場合、低温工程での維持時間が長すぎるとSrTa4 11(JCPDS No.16−708)やSr2 Ta2 7 (JCPDS No.30−1304)の不純物相が生成してしまい、維持時間が短すぎるとβ−Bi2 3 (JCPDS No.18−224)あるいはα−Bi2 3 (JCPDS No.27−53)あるいはδ−Bi2 3 (JCPDS No.27−52)の不純物相が生成してしまう。純粋な単結晶の色は無色透明であるが、SrTa4 11の不純物相が生成すると結晶は白色になり、β−Bi2 3 あるいはα−Bi2 3 の不純物相が生成すると結晶は薄い黄色になる。
【0048】
これにより層状結晶構造酸化物が製造されると共に、フラックスが実質的に全て蒸発し、層状結晶構造酸化物を取り出すことが可能となる。なお、本実施の形態に係る方法により得られる層状結晶構造酸化物は、主として、化2に示した化学式で表されるものである。
【化2】
Bi2-a Sr1+b Ta2 9+c
なお、0≦a≦0.14,0≦b≦0.35,−0.21≦c≦0.35
【0049】
ちなみに、このセルフ・フラックス法によると、Subbaraoが提案している二段階焼成法(E. C. Subbarao, Phys. Solids. 23 (1962) 665.)とは異なり約1300℃以上の高温での加熱が必要となるが、不純物のない単結晶薄膜片を大量に得ることができる。なお、セルフ・フラックス法というのは、育成する結晶の組成の一部を構成する物質をフラックス(融剤)として用いるものをいう。
【0050】
このように本実施の形態に係る層状結晶構造酸化物の製造方法によれば、フラックスを加えた原料Mを融点以上の温度に所定時間保持することによりフラックスを実質的に全て蒸発させるようにしたので、育成した層状結晶構造酸化物を直接取り出すことができる。よって、層状結晶構造酸化物を取り出すための後工程が不要となると共に、酸によるエッチングなどによって層状結晶構造酸化物が浸食されることを回避することができる。更に、フラックスが少なくなると融点が高くなるので、徐冷工程に要する時間を短縮することができ、効率よく層状結晶構造酸化物を製造することができる。
【0051】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例においては、化学量論的な組成式がBi2 Sr1 Ta2 9 である層状結晶構造酸化物について具体的に説明する。
【0052】
(第1の実施例)
ここでは、本実施例に係る製造方法により層状結晶構造酸化物が製造できることおよびその条件を具体的に説明する。
【0053】
まず、原料として酸化ビスマスと炭酸ストロンチウムと酸化タンタル(いずれも特級試薬;高純度化学研究所製)をそれぞれ用意し、酸化ビスマス79.0,炭酸ストロンチウム10.5,酸化タンタル10.5のモル比で混合した。すなわち、ここでは酸化ビスマスをフラックスとして用いた。
【0054】
次いで、図2に示した二重ルツボ20を用意し、内側の白金ルツボ21に混合した原料Mを入れ、それを外側のアルミナルツボ22に入れて蓋23を被せた。続いて、この二重ルツボ20を図3に示した縦型シリコニット炉30内に挿入し、図5に示した温度条件により熱処理を行った。すなわち、300℃/hourの昇温速度で1400℃まで加熱し(加熱工程)、1400℃で1時間以上維持したのち(定温工程)、2℃/hourの徐冷速度で1150℃まで徐冷し(徐冷工程)、そののち室温まで炉冷した。この際、定温工程における維持時間は1時間,2時間および3時間とそれぞれ変化させて行った。
【0055】
これにより、維持時間がいずれの場合もフラックスが完全に蒸発しており、白金ルツボ21の中には育成された結晶のみが入っていた。得られた結晶は、維持時間が1時間のものについては黄色であり、維持時間が2時間のものについては無色透明であり、維持時間が3時間のものについては白色であった。各結晶の大きさは、それぞれ最大のもので3mm×4mm×5μm程度であった。
【0056】
これらについてX線回折による同定分析をそれぞれ行った。その結果を図6および図7に示す。図6には維持時間を2時間とした結晶のX線回折パターン(XRDP;X−ray Diffraction Patterns)を、このXRDPを比較するための基準パターンと共に示す。図7には維持時間を変化させた各結晶のXRDPをそれぞれ示す。なお、基準パターンは、Raeらが求めた格子定数(a=2.49839nm,b=0.55344nm,c=0.55306nm; A. D. Rae, J. G. Thompson and R. L. Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418. )に基づいてリートベルト・シミュレーションにより求めたものであるが、空間群に関してはより対称性の高い“Fmmm ”を用いた。
【0057】
図6に示したように、2時間の維持時間で得られた結晶はビスマスとストロンチウムとタンタルと酸素とからなる層状結晶構造酸化物であることが分かった。これに対して、図7(a)に示したように、1時間の維持時間で得られた結晶は不純物相としてα−Bi2 3 (JCPDS No.27−53)を含み、図7(c)に示したように、3時間の維持時間で得られた結晶は不純物相としてSrTa4 11(JCPDS No.16−708)やSr2 Ta2 7 (JCPDS No.30−1304)を含むことが分かった。
【0058】
更に、2時間の維持時間で得られた結晶は、図6に示したXRDPから、薄片状であることに起因する強いa軸配向性を有していることが分かる。また、回折ピーク(022)と(1800)とから、この結晶がb=cの正方晶であるとのモデルに基づきa軸とc軸の格子定数を求めたところ、a軸の格子定数は2.498nmでありc軸の格子定数は0.5528nmであった。なお、この結晶はa軸配向性を有しているために(00l)回折と(0k0)回折とが極端に減少すると共に、高角での他のピークとの重なりがあるので、c軸とb軸の格子定数を共に求めることは非常に難しい。Raeらはこの層状結晶構造酸化物が空間群A21am (本実施の形態における表記ではCmc21 )に属することを指摘している( A. D. Rae, J. G. Thompson and R. L. Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418. )が、このX線回折の結果のみからはでは、c軸とb軸の格子定数が同一か否かの判別はできなかった。
【0059】
加えて、2時間の維持時間で得られた結晶について▲1▼走査電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)によるミクロ構造観察,▲2▼AFM(Atomic Force Microscope)による表面形態観察,▲3▼ラウエ斑点の観察,▲4▼ICP−AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscope)およびEPMA(Electron Probe Microanalysis)による化学分析,▲5▼熱分析および▲6▼強誘電性ヒステリシスの観測をそれぞれ行った。それらの結果を以下に示す。
【0060】
▲1▼SEMによるミクロ構造観察の結果
SEMにより薄片の表面を観察したところ、滑らかな表面が観察された。これは強い劈開性によるa面であると考えられる。
【0061】
▲2▼AFMによる表面形態観察の結果
AFMにより1mm×1mmのスキャン範囲で観察したところ、滑らかな表面が観察され、そのRMS値(Root Mean Square)は約0.4nmであった。また、最表面にあるステップは1.2〜1.3nmの高さであり、X線回折の結果から求められたa軸の格子定数(約2.5nm)の半分に相当していることが分かった。すなわち、このステップは、強いa面劈開性または異方的成長に起因しているものであると考えられる。
【0062】
▲3▼ラウエ斑点の観察結果
図8にラウエ斑点を観察した顕微鏡写真を示す。このように、ラウエ斑点が観察され、得られた結晶は単結晶であることが分かった。
【0063】
▲4▼ICP−AESおよびEPMAによる化学組成分析の結果
表1にICP−AESおよびEPMAの分析結果を示す。このように、ビスマスとストロンチウムとタンタルの組成比は、ICP−AESによると1.92:1.10:2.00であり、EPMAによると1.87:1.28:2.00であった。すなわち、得られた単結晶は金属によるわずかな不定比性が考えられるものの、基本的には化学量論的な組成に近いものであると考えられる。なお、EPMAは波長分散による分析(WDS;Wavelength Dispersive X−ray Spectroscopy)である。
【0064】
【表1】
ICP−AES ; Bi:Sr:Ta=1.92:1.10:2.00
EPMA(WDS); Bi:Sr:Ta=1.87:1.28:2.00
【0065】
▲5▼熱分析の結果
図9に熱分析の結果を示す。このように、重量損(TG;Thermal Gravimetry)は広範な温度範囲で0.3%以下と非常に小さかった。すなわち、1400℃程度の高温で一端結晶が合成されてしまうと、ビスマス化合物の蒸発や酸素欠損が1200℃までの温度範囲では殆ど起こらないことが分かった。
【0066】
▲5▼ヒステリシスの観測結果
結晶片の一辺に白金(Pt)の電極を蒸着し、200℃において強誘電性ヒステリシスを観測した。高温において測定を行ったのは、この層状結晶構造酸化物は抗電界が非常に高いので、室温では観測しにくいと思われるからである。図10にその結果を示す。このように、強誘電性ヒステリシスが観測され、この層状結晶構造酸化物は強誘電性を示すことが分かった。
【0067】
なお、原料を1350℃以上1450℃以下に加熱して1時間よりも長く3時間よりも短い時間維持したのち1℃/hour以上5℃/hour以下の徐冷速度で800℃以上1300℃以下まで徐冷して層状結晶構造酸化物を育成した場合についても、上記第1の実施例において維持時間を2時間とした場合と同様の結果を得ることができる。
【0068】
本実施例では、また、先の例と同一の原料を用意し、この原料を先の例と同一配合比で混合した。次いで、二重ルツボ20(図2参照)および縦型シリコニット炉30(図3参照)を用い、図11に示した温度条件により熱処理を行った。すなわち、300℃/hourの昇温速度で1400℃まで加熱し(加熱工程)、1400℃で10時間以上維持したのち(定温工程)、5℃/hourの徐冷速度で1150℃まで徐冷し(徐冷工程)、そののち室温まで炉冷した。この際、定温工程における維持時間は10時間,30時間および40時間とそれぞれ変化させて行った。
【0069】
これにより、維持時間がいずれのものもフラックスが完全に蒸発しており、白金ルツボ21の中には育成された結晶のみが入っていた。得られた結晶は、維持時間が10時間のものについては黄色であり、維持時間が30時間のものについては無色透明であり、維持時間が40時間のものについては白色であった。各結晶の大きさは、それぞれ最大のもので3mm×4mm×5μm程度であった。
【0070】
これらについてX線回折による同定分析をそれぞれ行った。その結果を図12に示す。このように、30時間の維持時間で得られた結晶は、ビスマスとストロンチウムとタンタルト酸素とからなる層状結晶構造酸化物であることが分かった。これに対して、10時間の維持時間で得られた結晶は不純物相としてδ−Bi2 3 (JCPDS No.27−52)を含み、40時間の維持時間で得られた結晶は不純物相としてSrTa4 11(JCPDS No.16−708)やSr2 Ta2 7 (JCPDS No.30−1304)を含むことが分かった。
【0071】
なお、原料を1350℃以上1450℃以下に加熱して10時間よりも長く40時間よりも短い時間維持したのち5℃/hour以上20℃/hour以下の徐冷速度で800℃以上1300℃以下まで徐冷して層状結晶構造酸化物を育成した場合についても、上記第2の実施例において維持時間を30時間とした場合と同様の結果を得ることができる。
【0072】
本実施例では、更に、先の例と同一の原料を用意し、この原料を先の例と同一の配合比で混合した。次いで、二重ルツボ20(図2参照)および縦型シリコニット炉30(図3参照)を用い、図13に示した温度条件により熱処理を行った。すなわち、300℃/hourの昇温速度で1345℃まで加熱し(加熱工程)、1345℃で30時間以上維持したのち(定温工程)、2℃/hourの徐冷速度で1150℃まで徐冷し(徐冷工程)、そののち室温まで炉冷した。この際、定温工程における維持時間は30時間,40時間,45時間および50時間とそれぞれ変化させて行った。
【0073】
これにより、維持時間がいずれのもののフラックスが完全に蒸発しており、白金ルツボ21の中には育成された結晶のみが入っていた。得られた結晶は、維持時間が30時間および40時間のものについては黄色であり、維持時間が45時間のものについては無色透明であり、維持時間が50時間のものについては白色であった。結晶の大きさは、それぞれ最大のもので3mm×4mm×5μm程度であった。
【0074】
これらについてX線回折による同定分析をそれぞれ行った。その結果を図14に示す。このように、45時間の維持時間で得られた結晶は、ビスマスとストロンチウムとタンタルト酸素とからなる層状結晶構造酸化物であることが分かった。これに対して、30時間の維持時間で得られた結晶は不純物相としてα−Bi2 3 (JCPDS No.27−53)を含み、その傾向は40時間の維持時間で得られた結晶についても同様であり、50時間の維持時間で得られた結晶についてはほとんどが不純物相のSrTa4 11(JCPDS No.16−708)となることが分かった。
【0075】
なお、原料を1330℃以上1370℃以下に加熱して40時間よりも長く50時間よりも短い時間維持したのち1℃/hour以上5℃/hour以下の徐冷速度で800℃以上1300℃以下まで徐冷して層状結晶構造酸化物を育成した場合についても、上記第3の実施例において維持時間を45時間とした場合と同様の結果を得ることができる。
【0076】
以上の結果から、酸化ビスマスをフラックスとして加えた原料を融点以上の所定温度に加熱し、その所定温度で一定時間維持したのち、所定の速度で徐冷することにより、フラックスを実質的に全て蒸発させて層状結晶構造酸化物の単結晶を製造できることが分かった。また、その際、定温工程での維持時間が短いとα−Bi2 3 (JCPDS No.27−53)あるいはδ−Bi2 3 (JCPDS No.27−52)の不純物相が生成してしまい、維持時間が長いとSrTa4 11(JCPDS No.16−708)やSr2 Ta2 7 (JCPDS No.30−1304)の不純物相が生成してしまうことが分かった。
【0077】
(第2の実施例)
本実施例では、層状結晶構造酸化物の結晶化学的構造について具体的に説明する。
【0078】
まず、原料として酸化ビスマスと炭酸ストロンチウムと酸化タンタル(いずれも特級試薬;高純度化学研究所製)をそれぞれ用意し、酸化ビスマス79.0,炭酸ストロンチウム10.5,酸化タンタル10.5のモル比で混合した。すなわち、ここでは酸化ビスマスをフラックスとして用いた。
【0079】
次いで、図2に示した二重ルツボ20を用意し、内側の白金ルツボ21に混合した原料Mを入れ、それを外側のアルミナルツボ22に入れて蓋23を被せた。続いて、この二重ルツボ20を図3に示した縦型シリコニット炉30内に挿入し、300℃/hourの昇温速度で1345℃まで加熱し(加熱工程)、1345℃で20時間維持したのち(定温工程)、2℃/hourの徐冷速度で1150℃まで徐冷し(徐冷工程)、そののち室温まで炉冷して層状結晶構造酸化物を製造した。
【0080】
これにより、フラックスは完全に蒸発しており、薄片状の0.7mm×0.2mm×0.01mm程度の大きさの層状結晶構造酸化物の結晶1が得られた。
【0081】
また、結晶1の場合と同様に原料を用意し、図2に示した二重ルツボ20に入れ、図3に示した縦型シリコニットろ30内に挿入した。300℃/hourの昇温速度で1400℃まで加熱し(加熱工程)、1400℃で2時間維持したのち(定温工程)、5℃/hourの徐冷速度で1200℃まで徐冷し(徐冷工程)、そののち室温まで炉冷して層状結晶構造酸化物を製造した。
【0082】
すなわち、結晶1に比べて加熱温度をやや高く、低温工程における維持時間を短く、徐冷工程における徐冷速度を比較的早くして製造した。これにより、結晶1とは異なりフラックスは完全に蒸発しておらず白金ルツボ21の中に若干のα−Bi2 3 が残っていが、薄片状の0.7mm×0.2mm×0.04mm程度の大きさの層状結晶構造酸化物の結晶2が得られた。このようにして得られた結晶1および結晶2について、次のような解析をそれぞれ行った。
【0083】
まず、4軸X線回折をそれぞれ行った。装置にはRigku AFC5R diffrastometerを用い、X線にはグラファイトにより単色化されたMo−Kα線を用いた。その結果、予備的測定から、Bravais格子はそれぞれC−centered
orthorhombicであり、格子定数はそれぞれ次に示したようになった。

Figure 0004032189
【0084】
また、回折斑点の消滅則より、結晶1および結晶2の結晶空間群は、双晶が存在しないという仮定の元ではPnnm,Pnn2のいずれかにしぼられ、双晶が存在するという仮定の元ではCmc21 ,Cmcm,C2cmの何れかにしぼられることが分かった。ここでは、NewnhamやRaeらによる解析結果(R. E. Newnham, R. W. Wolfe, R. S. Horsey, F. A. Diaz-Colon and M. I. Kay, Mater. Res. Bull., 8 (1973) 1183. ; A. D. Rae, J. G. Thompson and R. L. Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418. )を初期モデルとし、これらの各々について回折強度分布を統計的に解析し、最終的には結晶1および結晶2とも双晶が存在し結晶空間群はCmc21 であると決定した。
【0085】
なお、この空間群は“International Tables for Crystallography”に掲載された標準的な設定である。習慣的に良く用いられるc軸を長軸とする設定ではA21 amであり、これは空間対称性としてはNewnhamやRaeらの解析結果と一致している。
【0086】
また、b軸の格子定数およびc軸の格子定数は、結晶1および結晶2ともリファインの結果からは精度上以上の差は観測されなかったが、空間対称性よりこれらが等価でなはいと結論付けることができる。これを裏付けるために、結晶1および結晶2についてクロスニコル状態下で偏光顕微鏡観察をそれぞれ行った。観察面はa面である。その結果、結晶1および結晶2とも周期的な明暗反転が観察され、明らかにb軸とc軸の格子定数は等しくないということが確認された。
【0087】
次いで、結晶構造の精密化を、解析ソフト“SAPI91”(Fan Hai-Fu(1991). Structure Analysis Programs With Intelligent Control, Rigaku Corporation, Tokyo, Japan. )を用いてパターソン法による最小自乗リファインメントでそれぞれ行った。表2に、結晶1の原子座標(双晶を前提とし元素の部分置換を仮定しない初期的な解析によるもの)を示す。その結果、図1に示した基本結晶構造(空間群;I4/mmm)から原子サイトの変位が認められ、結晶がc軸方向に自発分極を有することが分かった(空間群;Cmc21 )。なお、このリファインメントによる信頼性因子(R−factor)は3.7%であった。
【0088】
【表2】
Figure 0004032189
【0089】
更に、この信頼性因子を収束させるために、結晶1についてフルオライト層11中のビスマスとペロブスカイト層12中のストロンチウムとが部分的に相互置換したモデルを立てて結晶構造の精密化を行った。表3にその結果を示す。表3において、Bi(2)はストロンチウムサイトSr(2)に存在するビスマスであり、Sr(1)はビスマスサイトBi(1)に存在するストロンチウムである。この結果から、結晶1ではビスマスサイトで5%、ストロンチウムサイトで2%程度のビスマスとストロンチウムとの相互置換が認められた。信頼性因子も、3.5%と僅かではあるが改善した。
【0090】
【表3】
Figure 0004032189
【0091】
部分的に相互置換したモデルにおいては精密化パラメータの数が多いので、数学的に信頼性因子が改善されることは当然であると言えるが、X線の重元素に対する散乱能に問題はなく、また信頼性因子の絶対値は統計的にこのモデルが正しいことを示唆しうる程度であるので、この結晶1においては僅かではあるがビスマスとストロンチウムとが部分置換していると考えられる。
【0092】
この結果に基づき結晶1のビスマスとストロンチウムとタンタルとの組成比を求めたところ、次のようになった。
結晶1 Bi:Sr:Ta = 1.92:1.09:2
【0093】
また、結晶2については、元素の部分置換を仮定しないモデルではシミュレーションデータと実測された回折データとの間の相違が統計的に大き過ぎ、信頼性因子は収束に至らなかった。そこで、信頼性因子を収束させるため、結晶1と同様に、フルオライト層11中のビスマスとペロブスカイト層12中のストロンチウムとが部分的に相互置換したモデルを立てて結晶構造の精密化を行った。表4にその結果を示す。表3においても、Bi(2)はストロンチウムサイトSr(2)に存在するビスマスであり、Sr(1)はビスマスサイトBi(1)に存在するストロンチウムである。この結果から、結晶2ではビスマスサイトで42%、ストロンチウムサイトで26%という顕著なビスマスとストロンチウムとの相互置換が認められた。信頼性因子は3.2%であった。信頼性因子が信頼性のあるレベルに収束していることから、結晶2においては非常に大きくビスマスとストロンチウムとが部分置換していると考えられる。
【0094】
【表4】
Figure 0004032189
【0095】
この結果に基づき結晶2のビスマスとストロンチウムとタンタルとの組成比を求めたところ、次のようになった。
結晶2 Bi:Sr:Ta = 1.43:1.58:2
【0096】
これらの結果から、このビスマスとストロンチウムとの部分置換に伴って起こる結晶構造全体の結晶化学的変化について次のように考察することができる。すなわち、Bi3+の存在する8b−siteはSr2+の存在する4a−siteに対して多重度が2倍であるので、これらのサイトで相互置換が生ずると、Bi3+が減少しSr2+が増加する傾向を示す。その結果、結晶中の正電荷が減少することになり、電荷中性を保つためには酸素欠陥が必要となる。
【0097】
図1から分かるように、この層状結晶構造酸化物には異なる5つの酸素サイトがあり、SrO面内の酸素O(1)、フルオライト層11とペロブスカイト層12との境界に位置する酸素O(2)、フルオライト層11中の酸素O(3)、TaO2 面内の酸素O(4),O(5)とそれぞれ記述することができる。なお、O(4)とO(5)は化学的環境が極めて似通っているが、格子歪みに伴う対称性低下(F4/mmmからCmc21 )により区別される。ここで表4を見てみると、これらの酸素のうちまずフルオライト層11中の酸素O(3)の充填率のみが極めて小さくなっており、このO(3)サイトの酸素が選択的に欠損し易いことが分かる。これはフルオライト相が有している大きな不定比性からも十分考えられる。
【0098】
更に特徴的なことは、O(2)サイトがO(2)とO(2’)という充填率がほぼ50%づつの2つのサイトに分離していることである。しかし、現実的には最近接しているO(2)サイトとO(2’)サイトが同時に占有されることはクローン反発が大きくなるのでまずあり得ず、ディスオーダー(disorder)により最近接のO(2)サイトとO(2’)サイトのいずれかが占められていると考えられる。
【0099】
なお、このような欠陥構造はある程度は普遍性があると思われるが、基本的には本実施例において認められたビスマスとストロンチウムとの相互部分置換に起因すると考えられ、組成変化によるストロンチウムサイトのビスマスによる一方的部分置換や、異なったサイト間の置換など欠陥構造は種々変化するものと考えられる。
【0100】
以上の結果に基づき格子歪みまで含めて忠実に再現した結晶1の結晶構造を図15に示す。同様に再現した結晶2の結晶構造を図16に示す。図15および図16においては、a軸方向に1ユニットセル、b軸c軸方向に2ユニットセルを示している。ちなみに、煩雑さを避けるためにTaO6 の構造を八面体で示したが、境界領域において完全な八面体が形成されない部分では、タンタルと酸素をそれぞれ原子として示している。
【0101】
また、図15(すなわち結晶1)をb軸方向から見た結晶構造を図17に示し、c軸方向から見た結晶構造を図18に示す。同様に、図16(すなわち結晶2)をb軸方向から見た結晶構造を図19に示し、c軸方向から見た結晶構造を図20に示す。図17および図18から、結晶1では、フルオライト層11の酸素平面はほぼ平坦であること、TaO6 の八面体におけるTaO2 面の傾きはほぼ分極軸であるc軸の周りに生じている(すなわち回転軸がc軸である)ことが分かる。また、図19および図20から、結晶2では、フルオライト層11の酸素平面が曲がっていることが分かる。なお、結晶2では、酸素サイトに相当欠陥が存在すること、およびフルオライト層11との境界の頂点酸素サイトが分離しているのは上述のとおりである(ここではタンタルとの原子間距離がより小さいO(2’)を頂点として八面体を表している)。
【0102】
更に、図17乃至図20から、結晶1および結晶2ではペロブスカイト層12の分極もさることながらフルオライト層11においてもビスマスと酸素の相対変位が決して小さくなく、それらが分極に寄与していると考えられる。実際に格子歪みのない母体構造(F4/mmm)を基準としたフルオライト層11中の陽イオン(ビスマス、またはビスマスサイトに置換しているストロンチウム)と陰イオン(酸素O(3))との相対変位の分極軸成分を算出すると、分極軸(c軸)の単位格子長(C0 ≒5.5Å)に対して結晶1で約8.97%,結晶2で約5.47%となる。一般には、分極を担うのは主としてペロブスカイト層12であると考えられており、このように大きな分極がフルオライト層11中で生じていることが確認された例はない。
【0103】
ちなみに、NewnhamやRaeらによる解析結果(R. E. Newnham, R. W. Wolfe, R. S. Horsey, F. A. Diaz-Colon and M. I. Kay, Mater. Res. Bull., 8 (1973) 1183. ; A. D. Rae, J. G. Thompson and R. L. Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418. )におけるフルオライト層中の陽イオンと陰イオンとの相対変位の分極軸成分は、それぞれ2.80%および1.69%である。
【0104】
なお、ここで分極軸の単位格子長は通常のフルオライト相と同様に定義し、約5.5Åとした。しかしながら、例えば分極軸またはこれを含むbc面,ca面に長周期構造が存在する場合には、格子定数が大きくなり、この相対変位の分極軸成分の計算値は見かけ上小さくなる。従って、そのような場合には、通常のフルオライト相に相当する単位格子長に対して相対変位の分極軸成分を見積もるようにする。
【0105】
また、結晶1のうちフルオライト層11およびこれに隣接する頂点酸素を抽出しa軸方向から見た結晶構造を図21に示し、同様に結晶2のうち同様にフルオライト層11およびこれに隣接する頂点酸素を抽出しa軸方向から見た結晶構造を図22に示す。更に、結晶1のうちペロブスカイト層12のTaO6 八面体およびこれに隣接するストロンチウムを抽出しa軸から見た結晶構造を図23に示し、同様に結晶2のうちペロブスカイト層12のTaO6 八面体およびこれに隣接するストロンチウムを抽出しa軸から見た結晶構造を図24に示す。
【0106】
図21および図22から、結晶1ではほぼ平坦で歪みの少ないフルオライト層11中の酸素O(3)の結合が、結晶2では酸素欠陥によりbc面の平坦性が損なわれていると共にbc面内でも大きく歪んでいることが分かる。また、結晶2に認められてる頂点酸素のディスオーダーは、分極軸方向(c軸方向)またはそれに垂直な方向(b軸方向)ではなく、(b+c)方向に近いことが分かる。
【0107】
更に、図23および図24から、結晶1では、上述したように、TaO2 面の傾きはほぼ分極軸であるc軸の周りに生じているが、頂点酸素に関してはややb軸回転の成分も有していることが分かる。一方、結晶2では、頂点酸素のディスオーダーと相まってTaO2 の結合がbc面内で歪んでいることが分かる。
【0108】
以上より、この層状結晶構造酸化物は、ビスマスとストロンチウムとが部分置換し、またはフルオライト層11を構成する酸素が選択的に欠損しあるいはフルオライト層11とペロブスカイト層12との境界に位置する頂点酸素がディスオーダーし、またはフルオライト層11の陽イオンと陰イオンとが互いに分極軸方向に相対変位していることにより、特有の常誘電性あるいは強誘電性を示すことが分かった。
【0109】
以上、実施の形態および各実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態および実施例に限定されるものではなく種々変形可能である。例えば、上記実施例においては、化学量論的な組成式がBi2 Sr1 Ta2 9 である層状結晶構造酸化物に関し説明したが、本発明は、化1において示した化学式で代表されるこれ以外のいわゆるオーリビリウス結晶群の層状結晶構造酸化物についても同様の結果を得ることができる。
【0110】
具体的に説明すれば、化1におけるmが2のBi2 BiTiNbO9 やBi2 BiTiTaO9 の化学式により代表される層状結晶構造酸化物、mが3のBi4 Ti3 12の化学式により代表される層状結晶構造酸化物、mが4のBi2 Bi2 CaTi4 15 ,Bi2 Bi2 SrTi4 15 ,Bi2 Bi2 BaTi4 15 ,Bi2 Bi2 PbTi4 15 ,Bi2 Bi2.5 Na0.5 Ti4 15やBi2 Bi2.5 0.5 Ti4 15の化学式により代表される層状結晶構造酸化物、mが5のBi2 Bi2 Sr2 Ti5 18 ,Bi2 Bi2 Ba2 Ti5 18やBi2 Bi2 Pb2 Ti5 18の化学式により代表される層状結晶構造酸化物についても本発明は同様に適用される。
【0111】
また、本発明は、いわゆるオーリビリウス結晶群のみでなく化3に示した化学式で表され超伝導材料として知られる層状結晶構造酸化物についても同様に適用される。
【化3】
Bi2 Sr2 Can-1 Cun 2n+4 なお、n≦4
【0112】
これは、いわゆるBi系超伝導層状酸化物といわれるものであり、結晶構造がオーリビリウス結晶群と類似関係にある。特に、層間がBi−Oで仕切られていることが異方性の点で酷似している。
【0113】
更に、上記実施の形態および実施例においては、層状結晶構造酸化物の製造においてフラックスを実質的に全て蒸発させるようにしたが、育成した層状結晶構造酸化物を取り出せる程度に蒸発させれば、上記実施の形態および実験例と同様の効果を得ることができる。
【0114】
加えて、上記実施の形態および実施例においては、層状結晶構造酸化物の製造においてフラックスを加えた原料を融点以上の所定温度に加熱してその所定温度で一定時間維持したのち自然放冷よりも遅い速度で徐冷することにより、融点以上の温度に所定時間保持し、フラックスを実質的に全て蒸発させるようにしたが、本発明は、他の方法により融点以上の温度に所定時間保持しフラックスを実質的に全て蒸発させるようにしてもよい。
【0115】
例えば、フラックスを加えた原料を融点以上の所定温度に加熱してその所定温度で一定時間維持することにより融点以上の温度に所定時間保持し、フラックスを実質的に全て蒸発させるようにしてもよい。また、フラックスを加えた原料を融点以上の所定温度に加熱したのち放冷しつつ融点以上の温度に所定時間保持し、フラックスを実質的に全て蒸発させるようにしてもよい。更に、フラックスを加えた原料を融点以上の所定温度に加熱したのち自然放冷よりも遅い速度で徐冷しつつ融点以上の温度に所定時間保持し、フラックスを実質的に全て蒸発させるようにしてもよい。
【0119】
【発明の効果】
発明の層状結晶構造酸化物の製造方法によれば、フラックスを加えた原料を融点以上の温度に一定時間保持することにより、層状結晶構造酸化物を取り出すことができる程度にフラックスを蒸発させるようにしたので、育成した層状結晶構造酸化物を直接取り出すことができる。よって、層状結晶構造酸化物を取り出すための後工程が不要となると共に、酸によるエッチングなどによって層状結晶構造酸化物が浸食されることを回避することができるという効果を奏する。また、フラックスが少なくなると融点が高くなるので、製造に要する時間を短縮することができ、効率よく層状結晶構造酸化物を製造することができるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る層状結晶構造酸化物の基本的な結晶構造を表す概念図である。
【図2】図1に示した層状結晶構造酸化物を製造する際に用いる二重ルツボを表す構成図である。
【図3】図1に示した層状結晶構造酸化物を製造する際に用いる縦型シリコニット炉を表す構成図である。
【図4】図1に示した層状結晶構造酸化物を製造する際の熱処理における温度条件を表す図である。
【図5】本発明の第1の実施例における熱処理の際の温度条件を表す図である。
【図6】図5に示した温度条件により得られた一結晶の組成を示すX線回折パターン図(a)であり、リートベルト・シミュレーション・パターン(b)と共に表している。
【図7】図5に示した温度条件における定温工程の維持時間により得られる結晶の組成の相違を説明するためのX線回折パターン図である。
【図8】図5に示した温度条件において得られた層状結晶構造酸化物のラウエ斑点を示す顕微鏡写真である。
【図9】図5に示した温度条件において得られた層状結晶構造酸化物に関する熱分析の結果を表す特性図である。
【図10】図5に示した温度条件において得られた層状結晶構造酸化物の強誘電性ヒステリシスを表す特性図である。
【図11】本発明の第1の実施例における熱処理の際の他の温度条件を表す図である。
【図12】図11に示した温度条件における定温工程の維持時間により得られる結晶の組成の相違を説明するためのX線回折パターン図である。
【図13】本発明の第1の実施例における熱処理の際の更に他の温度条件を表す図である。
【図14】図13に示した温度条件における定温工程の維持時間により得られる結晶の組成の相違を説明するためのX線回折パターン図である。
【図15】本発明の第2の実施例に係る層状結晶構造酸化物(結晶1)の結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図16】本発明の第2の実施例に係る層状結晶構造酸化物(結晶2)の結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図17】図15に示した層状結晶構造酸化物(結晶1)のb軸から見た結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図18】図15に示した層状結晶構造酸化物(結晶1)のc軸から見た結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図19】図16に示した層状結晶構造酸化物(結晶2)のb軸から見た結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図20】図16に示した層状結晶構造酸化物(結晶2)のc軸から見た結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図21】図15に示した層状結晶構造酸化物(結晶1)のうちフルオライト層およびこれに隣接する頂点酸素を抽出しa軸方向から見た結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図22】図16に示した層状結晶構造酸化物(結晶2)のうちフルオライト層およびこれに隣接する頂点酸素を抽出しa軸方向から見た結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図23】図15に示した層状結晶構造酸化物(結晶1)のうちペロブスカイト層のTaO6 八面体およびこれに隣接するストロンチウムを抽出しa軸方向から見た結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図24】図16に示した層状結晶構造酸化物(結晶2)のうちペロブスカイト層のTaO6 八面体およびこれに隣接するストロンチウムを抽出しa軸方向から見た結晶構造を格子歪みまで含めて表す概念図である。
【図25】フルオライト相の結晶構造を表す概念図である。
【図26】ペロブスカイト相の結晶構造を表す概念図である。
【符号の説明】
11…フルオライト層、12…ペロブスカイト層、20…二重ルツボ、21…白金ルツボ、22…アルミナルツボ、23…蓋、30…縦型シリコニット炉、31…炉心管、32…載置台、33…ヒータ、34…断熱材、35…蓋、M…原料[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention provides a layered crystal structure oxidation of so-called Aurivirius crystals and superconducting materials.ThingIt relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
The bismuth layered crystal structure oxide is a bismuth superconducting oxide having a critical temperature of 110K, or a bismuth layered ferroelectric material (C.A.) recently attracting attention as a material for a ferroelectric nonvolatile memory (FeRAM). -Paz de Araujo, JD Cuchiaro, LD McMillan, MC Scott and JF Scott, Nature, 374 (1995) 627 .; K. Amanuma, T. Hase and Y. Miyasaka, Appl. Phys. Lett., 66 (1995) 221 SB Desu and DP Vijay, Master. Sci. And Eng., B32 (1995) 75. In particular, bismuth strontium tantalate: Bi2SrTa2O9(Hereinafter referred to as BiSTa) is excellent in fatigue resistance due to polarization reversal and can be driven at a low voltage, and is considered the most promising candidate capacitor material for FeRAM (CA Paz de Araujo, JD Cuchiaro, MC Scitt and LD McMillan, International Patent Publication No. WO 93/12542 (24 June 1993)).
[0003]
Recently, it has been reported that this BiSTa has been successfully prepared by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) (T. Ami, K. Hironaka, C. Isobe, N. Nagel, M. Sugiyama). , Y. Ikeda, K. Watanabe, A. Machida, K. Miura and M. Tanaka, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 415 (1996) 195 .; T. Li, Y. Zhu, SB Desu, CH. Peng, M. Nagata, Appl. Phys. Lett., 68 (1996) 616.).
[0004]
By the way, many discussions have been made so far regarding the relationship between the composition of BiSTa and the ferroelectricity, and a composition in which bismuth is slightly excessive and strontium is somewhat deficient, typically Bi.2.2Sr0.8Ta2O9It is said that the best ferroelectricity can be obtained in the vicinity (T. Noguchi, T. Hase and Y. Miyasaka, Jpn. J. Appl. Phys. 34, 4900 (1996), etc.). For this reason, it has been speculated that partial substitution of bismuth and strontium may have occurred in this optimum composition.
[0005]
However, many of these discussions on composition are based on the composition of the starting material, and otherwise are based on polycrystalline thin films that may have grain boundaries and other by-product phases. There is a problem in data accuracy. For example, there is a report that the presence of an amorphous phase was confirmed by observation with a high-resolution transmission electron microscope (TEM) even though it was considered to be a single phase in X-ray analysis (CD Gutleben, Y Ikeda, C. Isobe, A. Machida, T. Ami, K. Hironaka and E. Morita, Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 415 (1996) 201.). Therefore, it is completely unknown whether partial substitution of elements has occurred.
[0006]
When this is considered from the viewpoint of the crystal structure, this BiSTa is called a so-called Aurivirius crystal group.2SrTa2O9The basic crystal structure (matrix structure; space group I4 / mmm or F4 / mmm) is as shown in FIG. By the way, the Aurivirius crystal group has the composition formula [Bi2O2]2+[Mem-1RmO3 m + 1]2-(M is an integer of 2 or more, Me is sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca), barium (Ba), strontium (Sr), lead (Pb), bismuth (Bi ), At least one of the group consisting of iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), and tungsten (W). seed).
[0007]
As shown in FIG. 1, BiSTa has a perovskite structure (ABO) with strontium as the A site and tantalum as the B site.ThreeIt can be considered that a layer (perovskite layer) composed of two unit lattices) is sandwiched between layers having a fluorite structure (fluorite layer) composed of bismuth and oxygen. Of these, it is generally considered that the perovskite layer has ferroelectricity and the fluorite layer has a function of maintaining the crystal structure. The bismuth at the A site at the boundary of the perovskite layer is shared with the fluorite layer.
[0008]
However, the production process research by MOCVD method has revealed that this material has a large non-stoichiometry and can be produced by heat-treating the metastable fluorite phase shown in FIG. 25 as a crystal nucleus. (T. Ami, K. Hironaka, C. Isobe, N. Nagel, M. Sugiyama, Y. Ikeda, K. Watanabe, A. Machida, K. Miura and M. Tanaka, Mater. Res. Soc. Symp. Proc , 415 (1996) 195.) In another study, the crystallinity of the fluorite phase was lowered by lowering the temperature of the production process, etc. It has been confirmed that the layered crystal structure described above is obtained via this fluorite phase (C. Isobe et al., 9th Int'l Symp. On Integrated Ferroelectrics Abstr. & Program, 79i). In this case, since there is only one metal site in the fluorite phase, it is considered that all metal elements of bismuth, strontium, and tantalum occupy an equivalent site over a wide composition range.
[0009]
In the fluorite phase, for example, in a partially stable zirconia, a considerably large amount of an alkaline earth metal or the like can be dissolved in a zirconium (Zr) site, and an oxygen-rich non-stoichiometric compound can be formed in uranium oxide. As can be seen, non-stoichiometry exists. This non-stoichiometry naturally applies to defects, and both cations and anions can have a large defect density. In fact, in this fluorite structure, the anion should ideally be 8-coordinated around the cation, but δ-Bi2OThreeIn some cases, the oxygen coordination number of bismuth is reduced to about 6 due to oxygen defects while maintaining this structure (ICPDS, 16-654; d-Bi2OThreeGattow and Schroder, Z. Anorg. Allgem. Chem. 318 (1962), 176). In this case, among the oxygen atoms that form a regular hexahedron in 8-coordinate, two oxygen atoms diagonal to each other are selectively lost, and the remaining oxygen atoms form a distorted octahedron around bismuth. is doing. Because of these properties, the fluorite phase is also tolerant to lattice strain and non-uniform strain in the crystal, and typically has a symmetry from tetragonal to monoclinic at room temperature due to lattice strain in zirconia. It is not uncommon for oxygen to take 7-coordinates and the half-width of the X-ray diffraction peak by θ-2θ scanning reaches several degrees or more due to non-uniform strain.
[0010]
On the other hand, although not as much as the fluorite phase, the perovskite phase shown in FIG. 26 has some non-stoichiometry. Examples of non-stoichiometry at the A site include oxide superconducting materials such as La2CuOFourThere are many lanthanum sites with barium, strontium and potassium added. Examples of non-stoichiometry of B site include BaBiOThreeBismuthsite with lead added.
[0011]
Thus, from the viewpoint of the generation mechanism, this substance can be said to be “a structure in which metal atoms are ordered by heat treatment from a highly stable metastable fluorite phase”. However, considering that the fluorite structure is partly retained in the structure itself and that the perovskite part also has a certain degree of non-stoichiometry, this ordering always proceeds in perfect form. Is hard to think. This is especially true when there is a composition shift.
[0012]
Therefore, in order to discuss such composition and crystal chemistry aspects, a single crystal is extremely important as a sample. For single crystals of the Aurivirius crystal group, BiFourTiThreeO12(M = 3; Me = Bi; R = Ti) (J. F. Dorrian, R. E. Newnham, D. K. Smith and M. I. Kay, Ferroelectrics, 3 (1971) 17. etc.) and recently BiFourBaTiFourO15(M = 4; Me = Bi, Ba; R = Ti) (SK. Kim, M. Miyayama and H. Yanagida, J. Ceram. Soc, Japan, 102 (1994) 722. etc.) are being studied. . However, with BiSTa, there are very few reliable reports (RE Newnham, RW Wolfe, RS Horsey, FA Diaz-Colon and MI Kay, Mater. Res. Bull., 8 (1973) 1183 .; AD Rae, JG Thompson and RL Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418.). Moreover, of the two papers related to BiSTa, those by Newham lacked precision such as composition handling, and those by Rae started with a stoichiometric composition, but a plate-like single crystal was obtained only in a two-phase mixed state. It has not yet been synthesized as a single phase. Furthermore, almost no analysis has been made on the properties of the single crystals obtained in both cases.
[0013]
That is, it is very important to produce a single crystal of the Aurivirius crystal group and clarify the crystal chemical aspect thereof when applying it to FeRAM as a material exhibiting ferroelectricity. It is also suggested that these Aurillius crystals may exhibit paraelectric properties depending on their composition or crystallinity (Tatsuo Machida, Naomi Nagasawa, Takaaki Ami, Masayuki Suzuki, Fall 1995, 57th JSAP [9p-F-2]), which has important implications for new DRAM materials and for use in new stacked devices.
[0014]
As for the preparation of single crystals of the Aurivirius crystal group, the self-flux method (Y. Hidaka, Y. Enomoto, M. Suzuki, M. Oda and T. Murakami) used in the preparation of high-temperature superconducting oxides was used. , J. Cryst. Growth, 85 (1987) 581 .; Y. Hidaka, M. Oda, M. Suzuki, Y. Maeda, Y. Enomoto and T. Murakami, Jpn, J. Appl. Phys., 27 (1988 ) (See L538.) (M. Suzuki, N. Nagasawa, A. Machida and T. Ami, Jpn, J. Appl. Phys., 35 (1996) L564.). By the way, the flux method is a method in which a melt is prepared by appropriately adding a flux (flux) to a raw material and heating, and this is gradually cooled to generate a target crystal nucleus and grow a crystal. is there. In this flux method, normally, the flux remains even after the crystal is grown, and it is necessary to separate the grown crystal from the flux.
[0015]
However, when this Aurivirius crystal group is produced by the self-flux method, for example, even if it is attempted to remove the flux by washing with hot water, it cannot be removed because the flux does not dissolve in water, and an acid such as hydrochloric acid (HCl) can be removed. Even if an attempt is made to remove the flux by etching, the crystal grown together with the flux is also eroded, so that there is a problem that it is difficult to take out the crystal.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention has been made in view of such background and problems, and its purpose is to show ferroelectricity and paraelectricity.It is an object of the present invention to provide a method for producing a layered crystal structure oxide capable of easily producing a layered crystal structure oxide.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
  The method for producing a layered crystal structure oxide of the present invention is a method for producing a layered crystal structure oxide using a self-flux method, wherein the raw material to which the flux is added is heated to a temperature equal to or higher than the melting point, and then the melting point or higher. By holding at this temperature for a certain period of time, the flux is evaporated to such an extent that the layered crystal structure oxide can be taken out to produce the layered crystal structure oxide.
[0023]
In the method for producing a layered crystal structure oxide of the present invention, a flux is added to a raw material and heated to a temperature equal to or higher than the melting point, and held at a temperature equal to or higher than the melting point for a certain time. Thereby, the flux evaporates to such an extent that the layered crystal structure oxide can be taken out, and the layered crystal structure oxide can be taken out.
[0024]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0025]
The layered crystal structure oxide according to the present embodiment is composed of bismuth, a first element Me, a second element R, and oxygen. The first element is at least one member selected from the group consisting of sodium, potassium, calcium, barium, strontium, lead and bismuth, and the second element is selected from the group consisting of iron, titanium, vanadium, niobium, tantalum and tungsten. At least one of them. The first element Me is preferably at least one selected from the group consisting of strontium, lead, barium and calcium, and the second element R is preferably at least one selected from the group consisting of niobium and tantalum. Furthermore, the first element Me is preferably at least one member selected from the group consisting of strontium and calcium. In particular, the first element Me is preferably strontium and the second element R is preferably tantalum.
[0026]
Chemical formula 1 shows the stoichiometric composition formula of this layered crystal structure oxide. However, the layered crystal structure oxide according to the present embodiment is not limited to the stoichiometric one, but includes those that deviate from the stoichiometric composition.
[0027]
[Chemical 1]
[Bi2O2]2+[Mem-1RmO3m + 1]2-
Me; first element
R: second element
m: any integer of 2, 3, 4 or 5
[0028]
In addition, FIG. 1 shows a basic crystal structure of a layered crystal structure oxide in which m in the composition formula shown in Chemical Formula 1 is 2. Thus, this layered crystal structure oxide is [Bi2O2]2+And a fluorite layer 11 corresponding tom-1RmO3m + 1]2-Perovskite layers 12 corresponding to the above are alternately laminated and have an anisotropic a-axis cleavage (H. Maeda, Y. Tanaka, M. Fukutomi and T. Asano, Jpn. J. Appl. Phys., 27 (1988) L209 .; see K. Hiraga, M. Hirabayashi, M. Kikuchi and Y. Syono, Jpn. J. Appl. Phys., 27 (1988) L573.).
[0029]
Although not shown in FIG. 1, the layered crystal structure oxide may be partially substituted with at least two elements at different lattice positions. For example, bismuth, the first element Me, and the second element R may be partially substituted with each other, or bismuth and the first element Me may be partially substituted with each other.
[0030]
Further, although not shown in FIG. 1, in this layered crystal structure oxide, at least one element may be partially deficient or disordered. For example, oxygen constituting the fluorite layer 11 may be selectively lost or disordered, or apex oxygen located at the boundary between the fluorite layer 11 and the perovskite layer 12 may be disordered.
[0031]
Further, although not shown in FIG. 1, this layered crystal structure oxide is composed of the cation (that is, bismuth or bismuth site of the first element Me or the second element R substituted for the fluorite layer 11). ) And anions (ie oxygen) are unit cell lengths (C0 In some cases, the relative displacement may be 3% or more (approximately 5.5 mm). Ferroelectricity is determined by the relative displacement between the cation and the anion in the entire crystal, but in general with respect to the fluorite layer that is considered not to contribute much to the ferroelectricity, It is considered that the larger the relative displacement, the better. For example, 5% or more is preferable, and 7% or more is more preferable.
[0032]
In addition, the layered crystal structure oxide includes a paraelectric property and a ferroelectric property in the c-axis direction. This is considered to be due to the difference in crystallinity, or partial substitution of elements, partial defects, or displacement.
[0033]
As described above, according to the layered crystal structure oxide according to the present embodiment, at least two elements at different lattice positions are partially substituted, or at least one element is partially missing or disordered. Therefore, a substance exhibiting ferroelectricity or paraelectricity can be easily obtained as compared with a completely crystalline material. Therefore, those exhibiting ferroelectricity can be easily applied to FeRAM, etc., and those exhibiting paraelectricity can be used as auxiliary substances for forming capacitors as a new substance exhibiting paraelectric properties and for DRAMs. It can be used as a capacitor material.
[0034]
In addition, according to the layered crystal structure oxide according to the present embodiment, the cation and the anion of the fluorite layer 11 are relatively displaced from each other by 3% or more of the unit cell length in the polarization axis direction. Can be obtained. Therefore, it can be applied to FeRAM and the like.
[0035]
The layered crystal structure oxide having such a configuration can be manufactured as follows. Here, the method for producing the layered crystal structure oxide of the present invention is also described.
[0036]
First, an appropriate oxide raw material is mixed at an appropriate ratio. For example, the stoichiometric composition formula is Bi2Sr1Ta2O9When the layered crystal structure oxide is produced, the raw material is bismuth oxide (Bi2OThree) And strontium carbonate (SrCOThree) And tantalum oxide (Ta2OFiveAnd bismuth oxide 45-80, strontium carbonate 10-15, and tantalum oxide 10-15 in a molar ratio. Preferably, bismuth oxide 46.6 to 79.0, strontium carbonate 10.5 to 14.3, tantalum oxide 10.5 to 14.3, and most preferably bismuth oxide 79.0, strontium carbonate 10.5. , Tantalum oxide 10.5.
[0037]
Here, since bismuth oxide is used as a flux, the molar ratio of bismuth oxide is high. Thus, when producing a layered crystal structure oxide containing bismuth, it is particularly preferable to use bismuth oxide as a flux.
[0038]
Next, a raw material to which bismuth oxide as a flux is added is placed in a suitable crucible, and is inserted into a suitable furnace and subjected to heat treatment.
[0039]
FIG. 2 shows the structure of the double crucible 20 used in the present embodiment. The double crucible 20 includes a platinum crucible 21 into which the raw material M is put and an alumina crucible 22 into which the platinum crucible 21 is put. An alumina lid 23 is placed on the alumina crucible 22. The reason for melting the raw material M using the double crucible 20 is to control the evaporation of the bismuth compound.
[0040]
FIG. 3 shows the configuration of the vertical siliconite furnace 30 used in the present embodiment. The vertical silicon furnace 30 includes a vertical core tube 31, and the double crucible 20 mounted on the mounting table 32 is inserted in the vicinity of the center of the core tube 31. ing. The core tube 31 is made of, for example, alumina (Al2OThree) And mullite.
[0041]
A heater 33 is disposed in the vicinity of the outer periphery of the core tube 31 and the outer periphery thereof is covered with a heat insulating material 34, and a soaking part A is formed in the vicinity of the double crucible 20. The temperature of the soaking part A can be measured by a thermocouple 35 disposed in the vicinity of the soaking part A. The volume in the core tube 31 in the soaking part A is 5 to 30 times the volume of the double crucible 20. This volume ratio is important in controlling the evaporation of the bismuth compound.
[0042]
Further, a lid 36 is disposed on the upper portion of the core tube 31, and a forced exhaust device (not shown) for exhausting the bismuth compound is disposed in the vicinity thereof. In other words, the core tube 31 serves as an exhaust path for guiding the evaporated bismuth compound to a forced exhaust device (not shown) while preventing the bismuth compound evaporated from the double crucible 20 from adhering to the heater 33. Have.
[0043]
FIG. 4 shows the temperature conditions when the vertical silicon furnace 30 is heat-treated. As described above, in the present embodiment, first, the raw material M is heated to a melting point or higher (for example, 1330 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower) at an appropriate temperature rising rate (heating step), and then maintained at this heating temperature for a predetermined time. (Constant temperature process) Subsequently, it is gradually cooled to a temperature of, for example, 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower (slow cooling process) at a slower rate than natural cooling (for example, 1 ° C./hour to 20 ° C./hour or less). That is, by this, the raw material to which bismuth oxide as a flux is added is kept at a temperature equal to or higher than the melting point for a predetermined time, and substantially all of the flux is evaporated. Then, it cools to room temperature by natural cooling (natural cooling process). In the example shown in FIG. 4, in the heating step, the bismuth oxide has a melting point of 1330 ° C. or higher.
[0044]
Furthermore, if some preferable specific examples regarding this heat treatment are described, for example, the raw material M is heated to 1350 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower at an appropriate temperature rising rate (heating step), and then at this heating temperature for more than 1 hour. It is maintained for a longer time than 3 hours (constant temperature step), and then gradually cooled to a temperature of 800 ° C. to 1300 ° C. at a slow cooling rate of 1 ° C./hour to 5 ° C./hour (slow cooling step). Then, it cools to room temperature by natural cooling (natural cooling process).
[0045]
Further, for example, the raw material M is heated to 1350 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower at an appropriate temperature rising rate (heating step), and then maintained at this heating temperature for a time longer than 10 hours and shorter than 40 hours (a constant temperature step), Subsequently, it is gradually cooled to a temperature of, for example, 800 ° C. to 1300 ° C. at a slow cooling rate of 5 ° C./hour to 20 ° C./hour (slow cooling step). Then, it cools to room temperature by natural cooling (natural cooling process).
[0046]
Also, for example, the raw material M is heated to 1330 ° C. or higher and 1370 ° C. or lower at an appropriate temperature rising rate (heating step), and then maintained at this heating temperature for a time longer than 40 hours and shorter than 50 hours (constant temperature step), Subsequently, it is gradually cooled to a temperature of 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower at a slow cooling rate of 1 ° C./hour or more and 5 ° C./hour or less (slow cooling step). Then, it cools to room temperature by natural cooling (natural cooling process).
[0047]
Here, an impurity layer is generated if the maintenance time in the constant temperature process is too long or too short. For example, the stoichiometric composition formula is Bi2Sr1Ta2O9When the layered crystal structure oxide is produced, if the maintenance time in the low temperature process is too long, SrTaFourO11(JCPDS No.16-708) and Sr2Ta2O7If the impurity phase of (JCPDS No. 30-1304) is generated and the maintenance time is too short, β-Bi2OThree(JCPDS No.18-224) or α-Bi2OThree(JCPDS No.27-53) or δ-Bi2OThreeThe impurity phase (JCPDS No. 27-52) is generated. Pure single crystal color is colorless and transparent, but SrTaFourO11When the impurity phase is formed, the crystal turns white, and β-Bi2OThreeOr α-Bi2OThreeWhen the impurity phase is formed, the crystal becomes light yellow.
[0048]
As a result, a layered crystal structure oxide is manufactured, and substantially all of the flux is evaporated, and the layered crystal structure oxide can be taken out. Note that the layered crystal structure oxide obtained by the method according to this embodiment is mainly represented by the chemical formula shown in Chemical Formula 2.
[Chemical formula 2]
Bi2-aSr1 + bTa2O9 + c
0 ≦ a ≦ 0.14, 0 ≦ b ≦ 0.35, −0.21 ≦ c ≦ 0.35
[0049]
Incidentally, this self-flux method requires heating at a high temperature of about 1300 ° C or higher, unlike the two-stage firing method proposed by Subbarao (EC Subbarao, Phys. Solids. 23 (1962) 665.). However, a large amount of single-crystal thin film pieces free of impurities can be obtained. The self-flux method is a method using a substance constituting a part of the composition of a crystal to be grown as a flux (flux).
[0050]
As described above, according to the method for manufacturing a layered crystal structure oxide according to the present embodiment, substantially all of the flux is evaporated by maintaining the raw material M to which the flux is added at a temperature equal to or higher than the melting point for a predetermined time. Therefore, the grown layered crystal structure oxide can be directly taken out. Therefore, a post-process for taking out the layered crystal structure oxide is not necessary, and the layered crystal structure oxide can be prevented from being eroded by etching with an acid or the like. Furthermore, since the melting point increases as the flux decreases, the time required for the slow cooling step can be shortened and the layered crystal structure oxide can be produced efficiently.
[0051]
【Example】
Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following examples, the stoichiometric composition formula is Bi.2Sr1Ta2O9The layered crystal structure oxide will be specifically described.
[0052]
(First embodiment)
Here, the fact that the layered crystal structure oxide can be produced by the production method according to the present embodiment and the conditions thereof will be specifically described.
[0053]
First, bismuth oxide, strontium carbonate, and tantalum oxide (all of which are special grade reagents; manufactured by High Purity Chemical Research Laboratories) were prepared as raw materials, and the molar ratio of bismuth oxide 79.0, strontium carbonate 10.5, and tantalum oxide 10.5. Mixed. That is, bismuth oxide was used as the flux here.
[0054]
Next, the double crucible 20 shown in FIG. 2 was prepared, and the raw material M mixed in the inner platinum crucible 21 was put, and then put in the outer alumina crucible 22 and covered with the lid 23. Subsequently, the double crucible 20 was inserted into the vertical siliconit furnace 30 shown in FIG. 3, and heat treatment was performed under the temperature conditions shown in FIG. That is, heating to 1400 ° C. at a heating rate of 300 ° C./hour (heating step), maintaining at 1400 ° C. for 1 hour or longer (constant temperature step), and cooling to 1150 ° C. at a cooling rate of 2 ° C./hour. (Slow cooling step) After that, the furnace was cooled to room temperature. At this time, the maintenance time in the constant temperature step was changed to 1 hour, 2 hours and 3 hours, respectively.
[0055]
As a result, the flux was completely evaporated in any of the maintenance times, and only the grown crystal was contained in the platinum crucible 21. The obtained crystal was yellow when the maintenance time was 1 hour, colorless and transparent when the maintenance time was 2 hours, and white when the maintenance time was 3 hours. The maximum size of each crystal was about 3 mm × 4 mm × 5 μm.
[0056]
These were each subjected to identification analysis by X-ray diffraction. The results are shown in FIGS. FIG. 6 shows an X-ray diffraction pattern (XRDP; X-ray Diffraction Patterns) of a crystal with a maintenance time of 2 hours, together with a reference pattern for comparing the XRDP. FIG. 7 shows the XRDP of each crystal with the maintenance time changed. The reference pattern was determined by the lattice constants (a = 2.49839 nm, b = 0.55344 nm, c = 0.55306 nm; AD Rae, JG Thompson and RL Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418.) was obtained by Rietveld simulation, but “Fmmm” having higher symmetry was used for the space group.
[0057]
As shown in FIG. 6, it was found that the crystal obtained with a maintenance time of 2 hours was a layered crystal structure oxide composed of bismuth, strontium, tantalum and oxygen. On the other hand, as shown in FIG. 7A, the crystals obtained with the maintenance time of 1 hour are α-Bi as the impurity phase.2OThree(JCPDS No. 27-53) and, as shown in FIG. 7 (c), the crystals obtained with a maintenance time of 3 hours are SrTa as the impurity phase.FourO11(JCPDS No.16-708) and Sr2Ta2O7(JCPDS No. 30-1304) was found to be included.
[0058]
Furthermore, it can be seen from the XRDP shown in FIG. 6 that the crystal obtained with a maintenance time of 2 hours has a strong a-axis orientation due to the flake shape. The diffraction peaks (022) and (1800), the a-axis and c-axis lattice constants were found to be 2.498 nm based on the model that this crystal is a tetragonal crystal of b = c, and the c-axis lattice constant was 2.498 nm. Was 0.5528 nm. Since this crystal has an a-axis orientation, (00l) diffraction and (0k0) diffraction are extremely reduced, and there is an overlap with other peaks at a high angle. It is very difficult to obtain the axial lattice constant together. Rae et al. Show that this layered crystal structure oxide is a space group A2.1am (Cmc2 in the notation in this embodiment1(AD Rae, JG Thompson and RL Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418.), but only from the X-ray diffraction results, the c-axis and b-axis It was not possible to determine whether the lattice constants were the same.
[0059]
In addition, for crystals obtained with a maintenance time of 2 hours, (1) microstructure observation with a scanning electron microscope (SEM), (2) surface morphology observation with an AFM (Atomic Force Microscope), (3) Laue Observation of spots, (4) Chemical analysis by ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscope) and EPMA (Electron Probe Microanalysis), (5) Thermal analysis, and (6) Ferroelectric hysteresis observation. The results are shown below.
[0060]
(1) Results of microstructure observation by SEM
When the surface of the thin piece was observed by SEM, a smooth surface was observed. This is considered to be a-plane due to strong cleavage.
[0061]
(2) Results of surface morphology observation by AFM
When observed with a scanning range of 1 mm × 1 mm by AFM, a smooth surface was observed, and its RMS value (Root Mean Square) was about 0.4 nm. The step on the outermost surface has a height of 1.2 to 1.3 nm, which corresponds to half of the lattice constant of the a axis (about 2.5 nm) obtained from the result of X-ray diffraction. I understood. That is, this step is thought to be due to strong a-plane cleavage or anisotropic growth.
[0062]
(3) Observation results of Laue spots
FIG. 8 shows a photomicrograph of observed Laue spots. Thus, Laue spots were observed, and it was found that the obtained crystal was a single crystal.
[0063]
(4) Results of chemical composition analysis by ICP-AES and EPMA
Table 1 shows the analysis results of ICP-AES and EPMA. Thus, the composition ratio of bismuth, strontium, and tantalum was 1.92: 1.10: 2.00 according to ICP-AES and 1.87: 1.28: 2.00 according to EPMA. . That is, the obtained single crystal is considered to be close to the stoichiometric composition, although slight non-stoichiometry due to the metal can be considered. Note that EPMA is an analysis by wavelength dispersion (WDS; Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy).
[0064]
[Table 1]
ICP-AES; Bi: Sr: Ta = 1.92: 1.10: 2.00
EPMA (WDS); Bi: Sr: Ta = 1.87: 1.28: 2.00
[0065]
(5) Thermal analysis results
FIG. 9 shows the result of thermal analysis. Thus, the weight loss (TG) was very small at 0.3% or less over a wide temperature range. That is, it was found that once the crystals were synthesized at a high temperature of about 1400 ° C., evaporation of the bismuth compound and oxygen deficiency hardly occurred in the temperature range up to 1200 ° C.
[0066]
(5) Observation results of hysteresis
A platinum (Pt) electrode was deposited on one side of the crystal piece, and ferroelectric hysteresis was observed at 200 ° C. The measurement was performed at a high temperature because this layered crystal structure oxide has a very high coercive electric field, so it is difficult to observe at room temperature. FIG. 10 shows the result. Thus, ferroelectric hysteresis was observed, and it was found that this layered crystal structure oxide exhibits ferroelectricity.
[0067]
The raw material is heated to 1350 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower and maintained for longer than 1 hour and shorter than 3 hours, and then gradually cooled to 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower at a slow cooling rate of 1 ° C./hour to 5 ° C./hour. Also when the layered crystal structure oxide is grown by slow cooling, the same result as in the case where the maintenance time is 2 hours in the first embodiment can be obtained.
[0068]
In this example, the same raw material as in the previous example was prepared, and this raw material was mixed in the same mixing ratio as in the previous example. Next, heat treatment was performed using the double crucible 20 (see FIG. 2) and the vertical siliconite furnace 30 (see FIG. 3) under the temperature conditions shown in FIG. That is, it is heated to 1400 ° C. at a heating rate of 300 ° C./hour (heating step), maintained at 1400 ° C. for 10 hours or more (constant temperature step), and then gradually cooled to 1150 ° C. at a cooling rate of 5 ° C./hour. (Slow cooling step) After that, the furnace was cooled to room temperature. At this time, the maintenance time in the constant temperature step was changed to 10 hours, 30 hours and 40 hours, respectively.
[0069]
As a result, the flux was completely evaporated in any of the maintenance times, and only the grown crystal was contained in the platinum crucible 21. The obtained crystal was yellow when the maintenance time was 10 hours, colorless and transparent when the maintenance time was 30 hours, and white when the maintenance time was 40 hours. The maximum size of each crystal was about 3 mm × 4 mm × 5 μm.
[0070]
These were each subjected to identification analysis by X-ray diffraction. The result is shown in FIG. Thus, it was found that the crystal obtained with a maintenance time of 30 hours was a layered crystal structure oxide composed of bismuth, strontium, and tantalum oxygen. On the other hand, the crystals obtained with the maintenance time of 10 hours are δ-Bi as the impurity phase.2OThree(JCPDS No. 27-52), and the crystal obtained with a maintenance time of 40 hours is SrTa as the impurity phase.FourO11(JCPDS No.16-708) and Sr2Ta2O7(JCPDS No. 30-1304) was found to be included.
[0071]
The raw material is heated to 1350 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower and maintained for a time longer than 10 hours and shorter than 40 hours, and then at a slow cooling rate of 5 ° C./hour to 20 ° C./hour to 800 ° C. to 1300 ° C. Even when the layered crystal structure oxide is grown by slow cooling, the same result as in the case where the maintenance time is 30 hours in the second embodiment can be obtained.
[0072]
In this example, the same raw material as in the previous example was prepared, and this raw material was mixed at the same blending ratio as in the previous example. Next, heat treatment was performed using the double crucible 20 (see FIG. 2) and the vertical siliconite furnace 30 (see FIG. 3) under the temperature conditions shown in FIG. That is, after heating to 1345 ° C. at a heating rate of 300 ° C./hour (heating step) and maintaining at 1345 ° C. for 30 hours or more (constant temperature step), it is gradually cooled to 1150 ° C. at a cooling rate of 2 ° C./hour. (Slow cooling step) After that, the furnace was cooled to room temperature. At this time, the maintenance time in the constant temperature step was changed to 30 hours, 40 hours, 45 hours and 50 hours, respectively.
[0073]
As a result, the flux having any maintenance time was completely evaporated, and only the grown crystal was contained in the platinum crucible 21. The obtained crystals were yellow for those having a maintenance time of 30 hours and 40 hours, colorless and transparent for those having a maintenance time of 45 hours, and white for those having a maintenance time of 50 hours. The maximum size of each crystal was about 3 mm × 4 mm × 5 μm.
[0074]
These were each subjected to identification analysis by X-ray diffraction. The result is shown in FIG. Thus, it was found that the crystal obtained with a maintenance time of 45 hours was a layered crystal structure oxide composed of bismuth, strontium, and tantalum oxygen. On the other hand, the crystals obtained with a maintenance time of 30 hours have α-Bi as the impurity phase.2OThree(JCPDS No. 27-53), and the tendency is the same for the crystals obtained with a maintenance time of 40 hours. Most of the crystals obtained with a maintenance time of 50 hours are SrTa in the impurity phase.FourO11(JCPDS No. 16-708).
[0075]
The raw material is heated to 1330 ° C. or higher and 1370 ° C. or lower and maintained for a time longer than 40 hours and shorter than 50 hours, and then from 800 ° C. to 1300 ° C. at a slow cooling rate of 1 ° C./hour to 5 ° C./hour. Even when the layered crystal structure oxide is grown by slow cooling, the same result as in the case where the maintenance time is 45 hours in the third embodiment can be obtained.
[0076]
From the above results, the raw material added with bismuth oxide as a flux is heated to a predetermined temperature above the melting point, maintained at the predetermined temperature for a certain period of time, and then gradually cooled at a predetermined rate to evaporate substantially all of the flux. It was found that a single crystal of a layered crystal structure oxide can be produced. At that time, if the maintenance time in the constant temperature process is short, α-Bi2OThree(JCPDS No.27-53) or δ-Bi2OThreeIf the impurity phase of (JCPDS No.27-52) is generated and the maintenance time is long, SrTaFourO11(JCPDS No.16-708) and Sr2Ta2O7It was found that an impurity phase of (JCPDS No. 30-1304) was generated.
[0077]
(Second embodiment)
In this example, the crystal chemical structure of the layered crystal structure oxide will be specifically described.
[0078]
First, bismuth oxide, strontium carbonate, and tantalum oxide (all of which are special grade reagents; manufactured by High Purity Chemical Research Laboratories) were prepared as raw materials, and the molar ratio of bismuth oxide 79.0, strontium carbonate 10.5, and tantalum oxide 10.5. Mixed. That is, bismuth oxide was used as the flux here.
[0079]
Next, the double crucible 20 shown in FIG. 2 was prepared, and the raw material M mixed in the inner platinum crucible 21 was put, and then put in the outer alumina crucible 22 and covered with the lid 23. Subsequently, this double crucible 20 was inserted into the vertical siliconit furnace 30 shown in FIG. 3, heated to 1345 ° C. at a temperature rising rate of 300 ° C./hour (heating step), and maintained at 1345 ° C. for 20 hours. Thereafter (constant temperature process), the film was gradually cooled to 1150 ° C. at a slow cooling rate of 2 ° C./hour (slow cooling process), and then cooled to room temperature to produce a layered crystal structure oxide.
[0080]
Thereby, the flux was completely evaporated, and a lamellar crystal structure oxide crystal 1 having a size of about 0.7 mm × 0.2 mm × 0.01 mm was obtained.
[0081]
Moreover, the raw material was prepared similarly to the case of the crystal | crystallization 1, and it put into the double crucible 20 shown in FIG. 2, and inserted in the vertical siliconite filter 30 shown in FIG. Heat to 1400 ° C. at a heating rate of 300 ° C./hour (heating step), maintain at 1400 ° C. for 2 hours (constant temperature step), and gradually cool to 1200 ° C. at a cooling rate of 5 ° C./hour (slow cooling) Step), and then furnace-cooled to room temperature to produce a layered crystal structure oxide.
[0082]
That is, the heating temperature was slightly higher than that of the crystal 1, the maintenance time in the low-temperature process was short, and the slow cooling rate in the slow cooling process was relatively high. Thus, unlike the crystal 1, the flux is not completely evaporated, and some α-Bi is contained in the platinum crucible 21.2OThreeHowever, a lamellar crystal structure oxide crystal 2 having a size of about 0.7 mm × 0.2 mm × 0.04 mm was obtained. The crystal 1 and crystal 2 thus obtained were analyzed as follows.
[0083]
First, 4-axis X-ray diffraction was performed. The apparatus used was a Rigku AFC5R diffrastometer, and the X-rays used were Mo-Kα rays monochromatized with graphite. As a result, from preliminary measurements, Bravais lattices are each C-centered
orthohombic, and the lattice constants are as shown below.
Figure 0004032189
[0084]
Further, according to the disappearance rule of diffraction spots, the crystal space group of crystal 1 and crystal 2 is squeezed to either Pnnm or Pnn2 under the assumption that twins do not exist, and under the assumption that twins exist. Cmc21, Cmcm, or C2 cm. Here, analysis results by Newham and Rae et al. (RE Newnham, RW Wolfe, RS Horsey, FA Diaz-Colon and MI Kay, Mater. Res. Bull., 8 (1973) 1183.; AD Rae, JG Thompson and RL Withers , Acta. Cryst., B48 (1992) 418.), and the diffraction intensity distribution was statistically analyzed for each of these. Finally, twins existed in both crystals 1 and 2, and the crystal space group Is Cmc21It was determined that
[0085]
This space group is a standard setting published in “International Tables for Crystallography”. A2 is a setting that uses the c-axis as a major axis that is commonly used.1am, which is consistent with the analysis results of Newham and Rae et al.
[0086]
Further, the difference in the lattice constants of the b-axis and the c-axis was not observed from the refined results in the crystal 1 and the crystal 2 in the refinement results, but it was concluded that they were not equivalent due to the spatial symmetry. Can be attached. In order to support this, each of the crystals 1 and 2 was observed with a polarizing microscope under a crossed Nicol state. The observation surface is a-plane. As a result, periodic bright and dark inversions were observed in both crystals 1 and 2, and it was clearly confirmed that the lattice constants of the b-axis and c-axis were not equal.
[0087]
Next, refinement of the crystal structure was performed by least square refinement by the Patterson method using analysis software “SAPI91” (Fan Hai-Fu (1991). Structure Analysis Programs With Intelligent Control, Rigaku Corporation, Tokyo, Japan.) went. Table 2 shows the atomic coordinates of crystal 1 (based on an initial analysis that assumes twinning and does not assume partial substitution of elements). As a result, it was found from the basic crystal structure (space group; I4 / mmm) shown in FIG. 1 that the atomic site was displaced, and the crystal had spontaneous polarization in the c-axis direction (space group; Cmc21). The reliability factor (R-factor) by this refinement was 3.7%.
[0088]
[Table 2]
Figure 0004032189
[0089]
Further, in order to converge this reliability factor, the crystal structure of the crystal 1 was refined by establishing a model in which bismuth in the fluorite layer 11 and strontium in the perovskite layer 12 were partially mutually substituted. Table 3 shows the results. In Table 3, Bi (2) is bismuth present in the strontium site Sr (2), and Sr (1) is strontium present in the bismuth site Bi (1). From this result, it was confirmed that the crystal 1 had a mutual substitution of bismuth and strontium of 5% at the bismuth site and about 2% at the strontium site. The reliability factor also improved slightly, at 3.5%.
[0090]
[Table 3]
Figure 0004032189
[0091]
In a partially inter-substituted model, the number of refinement parameters is large, so it can be said that the reliability factor is improved mathematically, but there is no problem in the scattering ability of X-rays for heavy elements, Further, since the absolute value of the reliability factor is statistically enough to suggest that this model is correct, it is considered that in this crystal 1, bismuth and strontium are partially substituted.
[0092]
Based on this result, the composition ratio of bismuth, strontium, and tantalum of crystal 1 was determined, and the result was as follows.
Crystal 1 Bi: Sr: Ta = 1.92: 1.09: 2
[0093]
In addition, with respect to the crystal 2, the difference between the simulation data and the actually measured diffraction data was statistically too large in the model that did not assume partial substitution of elements, and the reliability factor did not converge. Therefore, in order to converge the reliability factor, the crystal structure was refined by establishing a model in which bismuth in the fluorite layer 11 and strontium in the perovskite layer 12 were partially substituted, as in the case of the crystal 1. . Table 4 shows the results. Also in Table 3, Bi (2) is bismuth existing in the strontium site Sr (2), and Sr (1) is strontium existing in the bismuth site Bi (1). From this result, in Crystal 2, significant mutual substitution between bismuth and strontium of 42% at the bismuth site and 26% at the strontium site was observed. The reliability factor was 3.2%. Since the reliability factor has converged to a reliable level, it is considered that in crystal 2, bismuth and strontium are partially substituted.
[0094]
[Table 4]
Figure 0004032189
[0095]
Based on this result, the composition ratio of bismuth, strontium, and tantalum of the crystal 2 was obtained, and the result was as follows.
Crystal 2 Bi: Sr: Ta = 1.43: 1.58: 2
[0096]
From these results, it is possible to consider the crystal chemical change of the entire crystal structure that occurs with the partial substitution of bismuth and strontium as follows. That is, Bi3+8b-site where there is Sr2+Since the multiplicity is twice as large as 4a-site in which Bi is present, if mutual substitution occurs at these sites, Bi3+Decreases and Sr2+Shows a tendency to increase. As a result, the positive charge in the crystal is reduced, and oxygen defects are required to maintain charge neutrality.
[0097]
As can be seen from FIG. 1, this layered crystal structure oxide has five different oxygen sites, oxygen O (1) in the SrO plane, oxygen O (positioned at the boundary between the fluorite layer 11 and the perovskite layer 12 ( 2) Oxygen in the fluorite layer 11 (3), TaO2In-plane oxygen O (4) and O (5) can be described respectively. Note that O (4) and O (5) are very similar in chemical environment, but the symmetry reduction (F4 / mmm to Cmc2) due to lattice distortion.1). Here, looking at Table 4, only the filling rate of oxygen O (3) in the fluorite layer 11 among these oxygens is extremely small, and the oxygen at this O (3) site is selectively reduced. It turns out that it is easy to lose. This is sufficiently considered from the large nonstoichiometry of the fluorite phase.
[0098]
What is more characteristic is that the O (2) site is separated into two sites with O (2) and O (2 ') filling ratios of approximately 50%. However, in reality, it is unlikely that the closest O (2) site and O (2 ′) site are occupied at the same time because clone repulsion increases, and the nearest O (2) site is caused by disorder. (2) It is considered that either the site or the O (2 ′) site is occupied.
[0099]
Although such a defect structure seems to be universal to some extent, it is considered that this defect structure is basically caused by the mutual partial substitution of bismuth and strontium recognized in this example. It is considered that the defect structure changes variously, such as unilateral partial substitution with bismuth and substitution between different sites.
[0100]
FIG. 15 shows the crystal structure of the crystal 1 faithfully reproduced including the lattice distortion based on the above results. The crystal structure of crystal 2 reproduced in the same manner is shown in FIG. 15 and 16, one unit cell is shown in the a-axis direction, and two unit cells are shown in the b-axis and c-axis directions. By the way, to avoid complications TaO6This structure is shown as an octahedron, but tantalum and oxygen are shown as atoms in the part where a perfect octahedron is not formed in the boundary region.
[0101]
FIG. 17 shows the crystal structure of FIG. 15 (that is, crystal 1) viewed from the b-axis direction, and FIG. 18 shows the crystal structure viewed from the c-axis direction. Similarly, FIG. 19 shows a crystal structure of FIG. 16 (that is, crystal 2) viewed from the b-axis direction, and FIG. 20 shows a crystal structure viewed from the c-axis direction. From FIG. 17 and FIG. 18, in the crystal 1, the oxygen plane of the fluorite layer 11 is almost flat.6In the octahedron2It can be seen that the inclination of the surface occurs around the c-axis that is the polarization axis (that is, the rotation axis is the c-axis). Further, from FIGS. 19 and 20, it can be seen that in the crystal 2, the oxygen plane of the fluorite layer 11 is bent. In the crystal 2, as described above, there are considerable defects in the oxygen sites, and the apex oxygen sites at the boundary with the fluorite layer 11 are separated as described above (here, the interatomic distance from tantalum is The octahedron is represented with the smaller O (2 ′) as the vertex).
[0102]
Furthermore, from FIG. 17 to FIG. 20, in the crystals 1 and 2, not only the polarization of the perovskite layer 12, but also the relative displacement of bismuth and oxygen in the fluorite layer 11 is never small, and they contribute to the polarization. Conceivable. A cation (bismuth or strontium substituted with bismuth site) and an anion (oxygen O (3)) in the fluorite layer 11 based on a matrix structure (F4 / mmm) that is actually free from lattice distortion. When the polarization axis component of the relative displacement is calculated, the unit cell length of the polarization axis (c axis) (C0 Approx. 5.57% for crystal 1 and about 5.47% for crystal 2. In general, it is considered that the perovskite layer 12 is mainly responsible for the polarization, and there is no example in which such a large polarization is confirmed to occur in the fluorite layer 11.
[0103]
By the way, analysis results by Newnham and Rae et al. (RE Newnham, RW Wolfe, RS Horsey, FA Diaz-Colon and MI Kay, Mater. Res. Bull., 8 (1973) 1183.; AD Rae, JG Thompson and RL Withers, Acta. Cryst., B48 (1992) 418.), the polarization axis components of the relative displacement between the cation and the anion in the fluorite layer are 2.80% and 1.69%, respectively.
[0104]
Here, the unit cell length of the polarization axis is defined in the same manner as the normal fluorite phase, and is about 5.5 mm. However, for example, when a long-period structure exists on the polarization axis or the bc plane and ca plane including the polarization axis, the lattice constant increases, and the calculated value of the polarization axis component of this relative displacement is apparently reduced. Therefore, in such a case, the polarization axis component of relative displacement is estimated with respect to the unit cell length corresponding to a normal fluorite phase.
[0105]
Further, FIG. 21 shows the crystal structure of the fluorite layer 11 extracted from the crystal 1 and the apex oxygen adjacent thereto extracted from the a-axis direction. Similarly, the fluorite layer 11 of the crystal 2 is adjacent to this. FIG. 22 shows a crystal structure obtained by extracting the apex oxygen to be extracted and viewed from the a-axis direction. Further, TaO of the perovskite layer 12 of the crystal 16FIG. 23 shows a crystal structure obtained by extracting the octahedron and strontium adjacent to the octahedron and viewing from the a axis. Similarly, TaO of the perovskite layer 12 in the crystal 2 is shown.6FIG. 24 shows a crystal structure obtained by extracting the octahedron and strontium adjacent to the octahedron and viewing from the a-axis.
[0106]
From FIGS. 21 and 22, it can be seen from FIG. 21 that the bonding of oxygen O (3) in the fluorite layer 11 in the crystal 1 is almost flat and less distorted. It can be seen that it is distorted greatly. It can also be seen that the disorder of apex oxygen recognized in the crystal 2 is not the polarization axis direction (c-axis direction) or the direction perpendicular to it (b-axis direction), but close to the (b + c) direction.
[0107]
Further, from FIGS. 23 and 24, in the crystal 1, as described above, TaO2It can be seen that the inclination of the surface occurs around the c-axis, which is the polarization axis, but the apex oxygen also has a component of b-axis rotation. On the other hand, in crystal 2, TaO combined with disorder of apex oxygen2It can be seen that the bond of is distorted in the bc plane.
[0108]
As described above, in this layered crystal structure oxide, bismuth and strontium are partially substituted, or oxygen constituting the fluorite layer 11 is selectively lost or located at the boundary between the fluorite layer 11 and the perovskite layer 12. It has been found that apex oxygen is disordered, or that the cation and the anion of the fluorite layer 11 are displaced relative to each other in the polarization axis direction, thereby exhibiting a specific paraelectric property or ferroelectricity.
[0109]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to these embodiments and examples and can be variously modified. For example, in the above example, the stoichiometric composition formula is Bi.2Sr1Ta2O9Although the present invention has been described with reference to the layered crystal structure oxide, the present invention can obtain the same results for other layered crystal structure oxides of the so-called Aurivirius crystal group represented by the chemical formula shown in Chemical Formula 1.
[0110]
Specifically, Bi in m is 2 in chemical formula 12BiTiNbO9And Bi2BiTiTaO9A layered crystal structure oxide represented by the chemical formula: Bi wherein m is 3FourTiThreeO12A layered crystal structure oxide represented by the chemical formula: Bi wherein m is 42Bi2CaTiFourO15  , Bi2Bi2SrTiFourO15  , Bi2Bi2BaTiFourO15  , Bi2Bi2PbTiFourO15  , Bi2Bi2.5Na0.5TiFourO15And Bi2Bi2.5K0.5TiFourO15A layered crystal structure oxide represented by the chemical formula:2Bi2Sr2TiFiveO18  , Bi2Bi2Ba2TiFiveO18And Bi2Bi2Pb2TiFiveO18The present invention is similarly applied to a layered crystal structure oxide represented by the chemical formula:
[0111]
The present invention is similarly applied not only to the so-called Aurivirius crystal group but also to a layered crystal structure oxide known by the chemical formula shown in Chemical Formula 3 and known as a superconducting material.
[Chemical Formula 3]
Bi2Sr2Can-1CunO2n + 4      N ≦ 4
[0112]
This is called a so-called Bi-based superconducting layered oxide, and its crystal structure is similar to the Auribilius crystal group. In particular, the fact that the layers are partitioned by Bi-O is very similar in terms of anisotropy.
[0113]
Furthermore, in the above embodiment and examples, substantially all of the flux is evaporated in the production of the layered crystal structure oxide. However, if the grown layered crystal structure oxide is evaporated to such an extent that it can be taken out, Effects similar to those of the embodiment and the experimental example can be obtained.
[0114]
In addition, in the above-described embodiments and examples, the raw material to which the flux is added in the production of the layered crystal structure oxide is heated to a predetermined temperature equal to or higher than the melting point and maintained at the predetermined temperature for a certain time, and then the natural cooling is performed. By slowly cooling at a slow speed, the temperature was maintained at a temperature above the melting point for a predetermined time to evaporate substantially all of the flux. However, the present invention maintains the temperature at a temperature above the melting point for a predetermined time by another method. May be evaporated substantially entirely.
[0115]
For example, the raw material to which the flux is added may be heated to a predetermined temperature equal to or higher than the melting point and maintained at the predetermined temperature for a certain period of time to maintain the temperature equal to or higher than the melting point for a predetermined time so that substantially all of the flux is evaporated. . Alternatively, the raw material to which the flux is added may be heated to a predetermined temperature equal to or higher than the melting point and then allowed to cool and held at a temperature equal to or higher than the melting point for a predetermined time to evaporate substantially all of the flux. Furthermore, after heating the raw material to which the flux has been added to a predetermined temperature above the melting point, it is gradually cooled at a slower rate than natural cooling and held at a temperature above the melting point for a predetermined time so that substantially all of the flux is evaporated. Also good.
[0119]
【The invention's effect】
BookAccording to the method for producing the layered crystal structure oxide of the invention, the flux is evaporated to such an extent that the layered crystal structure oxide can be taken out by holding the raw material to which the flux is added at a temperature equal to or higher than the melting point for a certain time. Therefore, the grown layered crystal structure oxide can be directly taken out. Therefore, there is an effect that a post-process for taking out the layered crystal structure oxide becomes unnecessary, and that the layered crystal structure oxide can be avoided from being eroded by etching with an acid or the like. Moreover, since melting | fusing point becomes high when flux becomes small, the time which manufacture requires can be shortened and there exists an effect that a layered crystal structure oxide can be manufactured efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a basic crystal structure of a layered crystal structure oxide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a structural diagram showing a double crucible used when manufacturing the layered crystal structure oxide shown in FIG. 1;
3 is a configuration diagram showing a vertical siliconite furnace used in manufacturing the layered crystal structure oxide shown in FIG. 1. FIG.
4 is a view showing temperature conditions in heat treatment when manufacturing the layered crystal structure oxide shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating temperature conditions during heat treatment in the first embodiment of the present invention.
6 is an X-ray diffraction pattern diagram (a) showing the composition of one crystal obtained under the temperature condition shown in FIG. 5, and it is shown together with a Rietveld simulation pattern (b).
7 is an X-ray diffraction pattern diagram for explaining the difference in the composition of crystals obtained by the maintaining time of the constant temperature process under the temperature condition shown in FIG. 5. FIG.
8 is a photomicrograph showing Laue spots of the layered crystal structure oxide obtained under the temperature condition shown in FIG.
9 is a characteristic diagram showing the results of thermal analysis for the layered crystal structure oxide obtained under the temperature conditions shown in FIG. 5. FIG.
10 is a characteristic diagram showing ferroelectric hysteresis of a layered crystal structure oxide obtained under the temperature condition shown in FIG.
FIG. 11 is a diagram showing another temperature condition during the heat treatment in the first embodiment of the present invention.
12 is an X-ray diffraction pattern diagram for explaining a difference in the composition of crystals obtained by the maintaining time of the constant temperature process under the temperature condition shown in FIG. 11. FIG.
FIG. 13 is a diagram showing still another temperature condition during the heat treatment in the first embodiment of the present invention.
14 is an X-ray diffraction pattern diagram for explaining a difference in composition of crystals obtained depending on the maintaining time of the constant temperature process under the temperature condition shown in FIG.
FIG. 15 is a conceptual diagram showing the crystal structure of the layered crystal structure oxide (crystal 1) according to the second embodiment of the present invention including the lattice strain.
FIG. 16 is a conceptual diagram showing the crystal structure of the layered crystal structure oxide (crystal 2) according to the second embodiment of the present invention including the lattice strain.
17 is a conceptual diagram showing the crystal structure of the layered crystal structure oxide (crystal 1) shown in FIG.
18 is a conceptual diagram showing the crystal structure of the layered crystal structure oxide (crystal 1) shown in FIG.
FIG. 19 is a conceptual diagram illustrating the crystal structure of the layered crystal structure oxide (crystal 2) shown in FIG.
20 is a conceptual diagram showing the crystal structure of the layered crystal structure oxide (crystal 2) shown in FIG.
21 is a conceptual diagram showing a crystal structure including a lattice strain extracted from a fluorite layer and apex oxygen adjacent to the fluorite layer in the layered crystal structure oxide (crystal 1) shown in FIG. 15 and viewed from the a-axis direction. It is.
22 is a conceptual diagram showing a crystal structure including a lattice strain extracted from a fluorite layer and apex oxygen adjacent to the fluorite layer in the layered crystal structure oxide (crystal 2) shown in FIG. 16 and viewed from the a-axis direction. It is.
FIG. 23 shows TaO of the perovskite layer in the layered crystal structure oxide (crystal 1) shown in FIG.6FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a crystal structure including an octahedron and strontium adjacent thereto extracted from the a-axis direction and including lattice distortion.
24 is a TaO of a perovskite layer in the layered crystal structure oxide (crystal 2) shown in FIG.6FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a crystal structure including an octahedron and strontium adjacent thereto extracted from the a-axis direction and including lattice distortion.
FIG. 25 is a conceptual diagram showing a crystal structure of a fluorite phase.
FIG. 26 is a conceptual diagram showing a crystal structure of a perovskite phase.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Fluorite layer, 12 ... Perovskite layer, 20 ... Double crucible, 21 ... Platinum crucible, 22 ... Alumina crucible, 23 ... Lid, 30 ... Vertical siliconite furnace, 31 ... Core tube, 32 ... Mounting stand, 33 ... Heater, 34 ... heat insulation, 35 ... lid, M ... raw material

Claims (22)

セルフ・フラックス法を用いて層状結晶構造酸化物を製造する層状結晶構造酸化物の製造方法であって、
フラックスを加えた原料を融点以上の温度に加熱したのち、融点以上の温度に一定時間保持することにより、層状結晶構造酸化物を取り出すことができる程度までフラックスを蒸発させて層状結晶構造酸化物を製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。
A method for producing a layered crystal structure oxide using a self-flux method to produce a layered crystal structure oxide,
After heating the raw material to which the flux has been added to a temperature equal to or higher than the melting point, the flux is evaporated to such an extent that the layered crystal structure oxide can be taken out by maintaining the temperature at a temperature equal to or higher than the melting point for a certain period of time. A method for producing a layered crystal structure oxide, characterized by comprising:
フラックスを加えた原料を融点以上の一定温度まで加熱したのち、その温度で一定時間維持することにより、融点以上の温度に一定時間保持することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。After heating the material obtained by adding a flux to a constant temperature above the melting point, by a predetermined time maintained at that temperature, the layered crystal structure oxide of claim 1, wherein for a certain holding time to a temperature above the melting point Manufacturing method. フラックスを加えた原料を融点以上の一定温度まで加熱したのち、放冷しつつ融点以上の温度に一定時間保持することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。After heating the material obtained by adding a flux to a constant temperature above the melting point, the production method according to claim 1 layered crystal structure oxide, wherein the retaining certain time to a temperature higher than the melting point while allowed to cool. フラックスを加えた原料を融点以上の一定温度まで加熱したのち、自然放冷よりも遅い速度で徐冷しつつ融点以上の温度に一定時間保持することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。After heating the material obtained by adding a flux to a certain temperature above the melting point, the layered crystal structure according to claim 1, wherein the retaining certain time at a temperature above the melting point while slowly cooling at a slower rate than natural cooling Production method of oxide. フラックスを加えた原料を融点以上の一定温度まで加熱したのち、その温度で一定時間維持すると共にそののち自然放冷よりも遅い速度で徐冷して融点以上の温度に一定時間保持することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。After heating the raw material to which the flux has been added to a certain temperature above the melting point, the material is maintained at that temperature for a certain period of time, and then gradually cooled at a slower rate than natural cooling and maintained at a temperature above the melting point for a certain period of time. The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 1 . 酸化ビスマスをフラックスとして少なくともビスマスを含む層状結晶構造酸化物を製造することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。The process according to claim 1 layered crystal structure oxide, wherein the producing a layered crystal structure oxide including at least bismuth bismuth oxide as a flux. 酸化ビスマスをフラックスとして少なくともビスマスを含む層状結晶構造酸化物を製造することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。 3. The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 2 , wherein a layered crystal structure oxide containing at least bismuth is produced using bismuth oxide as a flux. 酸化ビスマスをフラックスとして少なくともビスマスを含む層状結晶構造酸化物を製造することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。4. The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 3 , wherein a layered crystal structure oxide containing at least bismuth is produced using bismuth oxide as a flux. 酸化ビスマスをフラックスとして少なくともビスマスを含む層状結晶構造酸化物を製造することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。5. The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 4 , wherein a layered crystal structure oxide containing at least bismuth is produced using bismuth oxide as a flux. 酸化ビスマスをフラックスとして少なくともビスマスを含む層状結晶構造酸化物を製造することを特徴とする請求項記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。6. The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 5 , wherein a layered crystal structure oxide containing at least bismuth is produced using bismuth oxide as a flux. フラックスとしての酸化ビスマスを加えた原料を1330℃以上1450℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
この加熱工程において加熱した温度で一定時間維持する定温工程と、
この定温工程ののち自然放冷よりも遅い速度で800℃以上1300℃以下まで徐冷する徐冷工程と
を含むことを特徴とする請求項10記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。
A heating step of heating the raw material added with bismuth oxide as a flux to a temperature of 1330 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower;
A constant temperature step of maintaining a constant temperature at the heated temperature in this heating step;
The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 10 , further comprising: a slow cooling step of gradually cooling to 800 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower at a rate slower than natural cooling after the constant temperature step.
前記加熱工程の加熱温度を1350℃以上1450℃以下とする共に、前記定温工程の維持時間を1時間よりも長く3時間よりも短くし、かつ前記徐冷工程の徐冷速度を1℃/hour以上5℃/hour以下とすることを特徴とする請求項11記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。The heating temperature of the heating step is 1350 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, the maintenance time of the constant temperature step is longer than 1 hour and shorter than 3 hours, and the slow cooling rate of the slow cooling step is 1 ° C./hour The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 11, wherein the temperature is 5 ° C./hour or less. 前記加熱工程の加熱温度を1350℃以上1450℃以下とすると共に、前記定温工程の維持時間を10時間よりも長く40時間よりも短くし、かつ前記徐冷工程の徐冷速度を5℃/hour以上20℃/hour以下とすることを特徴とする請求項11記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。The heating temperature of the heating step is 1350 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, the maintenance time of the constant temperature step is longer than 10 hours and shorter than 40 hours, and the slow cooling rate of the slow cooling step is 5 ° C./hour The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 11, wherein the temperature is 20 ° C./hour or less. 前記加熱工程の加熱温度を1330℃以上1370℃以下とする共に、前記定温工程の維持時間を40時間よりも長く50時間よりも短くし、かつ前記徐冷工程の徐冷速度を1℃/hour以上5℃/hour以下とすることを特徴とする請求項11記載の層状結晶構造酸化物の製造方法。The heating temperature of the heating step is set to 1330 ° C. or higher and 1370 ° C. or lower, the maintenance time of the constant temperature step is longer than 40 hours and shorter than 50 hours, and the slow cooling rate of the slow cooling step is 1 ° C./hour. The method for producing a layered crystal structure oxide according to claim 11, wherein the temperature is 5 ° C./hour or less. ビスマス(Bi)と第1の元素と第2の元素と酸素(O)とからなると共に、第1の元素はナトリウム(Na),カリウム(K),カルシウム(Ca),バリウム(Ba),ストロンチウム(Sr),鉛(Pb)およびビスマス(Bi)からなる群のうちの少なくとも1種でありかつ第2の元素は鉄(Fe),チタン(Ti),バナジウム(V),ニオブ(Nb),タンタル(Ta),タングステン(W)および銅(Cu)からなる群のうちの少なくとも1種である層状結晶構造酸化物を、請求項に記載の方法により製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。It consists of bismuth (Bi), a first element, a second element, and oxygen (O), and the first element is sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca), barium (Ba), strontium (Sr), lead (Pb), and bismuth (Bi), and the second element is iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V), niobium (Nb), A layered crystal structure characterized by producing a layered crystal structure oxide which is at least one member selected from the group consisting of tantalum (Ta), tungsten (W) and copper (Cu) by the method according to claim 1. Production method of oxide. ビスマス(Bi)と第1の元素と第2の元素と酸素(O)とからなると共に、第1の元素はナトリウム(Na),カリウム(K),カルシウム(Ca),バリウム(Ba),ストロンチウム(Sr),鉛(Pb)およびビスマス(Bi)からなる群のうちの少なくとも1種でありかつ第2の元素は鉄(Fe),チタン(Ti),バナジウム(V),ニオブ(Nb),タンタル(Ta),タングステン(W)および銅(Cu)からなる群のうちの少なくとも1種である層状結晶構造酸化物を、請求項11に記載の方法により製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。It consists of bismuth (Bi), a first element, a second element, and oxygen (O), and the first element is sodium (Na), potassium (K), calcium (Ca), barium (Ba), strontium (Sr), lead (Pb), and bismuth (Bi), and the second element is iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V), niobium (Nb), A layered crystal structure characterized in that a layered crystal structure oxide which is at least one member selected from the group consisting of tantalum (Ta), tungsten (W) and copper (Cu) is produced by the method according to claim 11. Production method of oxide. 第1の元素をMeで表し第2の元素をRで表した化学式がBi2−aMe1+b9+cであると共に、第1の元素はストロンチウム(Sr),鉛(Pb),バリウム(Ba)およびカルシウム(Ca)からなる群のうちの少なくとも1種でありかつ第2の元素はニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)からなる群のうちの少なくとも1種でありかつ前記化学式におけるa,b,cがそれぞれ0≦a≦0.14,0≦b≦0.35,−0.21≦c≦0.35の範囲内の値の層状結晶構造酸化物を、請求項記載の方法により製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。The chemical formula in which the first element is represented by Me and the second element is represented by R is Bi 2-a Me 1 + b R 2 O 9 + c , and the first element is strontium (Sr), lead (Pb), barium ( Ba) and calcium (Ca), and the second element is at least one of the group consisting of niobium (Nb) and tantalum (Ta), and a, The layered crystal structure oxide according to claim 1 , wherein b and c each have a value in the range of 0≤a≤0.14, 0≤b≤0.35, -0.21≤c≤0.35. A method for producing a layered crystal structure oxide, characterized by comprising: 第1の元素をMeで表し第2の元素をRで表した化学式がBi2−aMe1+b9+cであると共に、第1の元素はストロンチウム(Sr),鉛(Pb),バリウム(Ba)およびカルシウム(Ca)からなる群のうちの少なくとも1種でありかつ第2の元素はニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)からなる群のうちの少なくとも1種でありかつ前記化学式におけるa,b,cがそれぞれ0≦a≦0.14,0≦b≦0.35,−0.21≦c≦0.35の範囲内の値の層状結晶構造酸化物を、請求項11記載の方法により製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。The chemical formula in which the first element is represented by Me and the second element is represented by R is Bi 2-a Me 1 + b R 2 O 9 + c , and the first element is strontium (Sr), lead (Pb), barium ( Ba) and calcium (Ca), and the second element is at least one of the group consisting of niobium (Nb) and tantalum (Ta), and a, The layered crystal structure oxide according to claim 11 , wherein b and c are values in the range of 0 ≦ a ≦ 0.14, 0 ≦ b ≦ 0.35, −0.21 ≦ c ≦ 0.35, respectively. A method for producing a layered crystal structure oxide, characterized by comprising: 強誘電性を示す層状結晶構造酸化物を請求項記載の方法により製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。A method for producing a layered crystal structure oxide, comprising producing a layered crystal structure oxide exhibiting ferroelectricity by the method according to claim 1 . 常誘電性を示す層状結晶構造酸化物を請求項記載の方法により製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。A method for producing a layered crystal structure oxide, comprising producing a layered crystal structure oxide exhibiting paraelectricity by the method according to claim 1 . 化学式がBiSrCan−1Cu2n+4であり前記化学式におけるnは4以下の整数である層状結晶構造酸化物を、請求項記載の方法により製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。 2. A layered crystal having a chemical formula of Bi 2 Sr 2 Cann -1 Cu n O 2n + 4 , wherein n is an integer of 4 or less by the method according to claim 1. A method for producing a structural oxide. 化学式がBiSrCan−1Cu2n+4であり前記化学式におけるnは4以下の整数である層状結晶構造酸化物を、請求項11記載の方法により製造することを特徴とする層状結晶構造酸化物の製造方法。A layered crystal structure comprising: a layered crystal structure oxide having a chemical formula of Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n + 4 and n in the chemical formula being an integer of 4 or less by the method according to claim 11. A method for producing a structural oxide.
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