JP5170580B2 - Method for producing bismuth layered structure ferroelectric crystal - Google Patents

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Description

本発明は、ビスマス層状構造強誘電体結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a ferroelectric crystal having a bismuth layer structure.

ビスマス層状化合物は、強誘電体メモリや圧電素子の材料として研究されてきた。これらの素子において高い特性を得るためには、ビスマス層状化合物の抗電界Ecを小さくし、残留分極Prを大きくすることが必要となる。   Bismuth layered compounds have been studied as materials for ferroelectric memories and piezoelectric elements. In order to obtain high characteristics in these elements, it is necessary to reduce the coercive electric field Ec of the bismuth layered compound and increase the remanent polarization Pr.

ビスマス層状化合物の抗電界Ecおよび残留分極Prについては、従来からさまざまな値が報告されている(たとえば非特許文献1〜3)。   Various values have conventionally been reported for the coercive electric field Ec and remanent polarization Pr of the bismuth layered compound (for example, Non-Patent Documents 1 to 3).

一方、ビスマス層状化合物の特性を向上させるために、様々な試みがなされており、たとえば、酸素を含有する雰囲気中でビスマス層状化合物を熱処理する方法が提案されている(たとえば特許文献1および非特許文献2参照)。この特許文献1には、熱処理によって、焦電効果に伴う圧電特性の劣化を低減できる旨が記載されている。   On the other hand, various attempts have been made to improve the characteristics of the bismuth layered compound. For example, methods for heat-treating the bismuth layered compound in an atmosphere containing oxygen have been proposed (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents). Reference 2). This Patent Document 1 describes that the deterioration of piezoelectric characteristics due to the pyroelectric effect can be reduced by heat treatment.

特開2002−284573号公報JP 2002-284573 A

「キー エンジニアリング マテリアルズ(Key Engineering Materials)」、2002年、Vols.228−229、pp223−226“Key Engineering Materials”, 2002, Vols. 228-229, pp 223-226 「ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジックス(Japanese Journal of Applied Physics)」、2002年、Vol.41、pp.L1164−1166“Japanese Journal of Applied Physics”, 2002, Vol. 41, pp. L1164-1166 「ジャーナル オブ アプライド フィジックス(Journal Of Applied Physics)」、米国、2001年、Vol.90、No.8、p4089−4091“Journal of Applied Physics”, USA, 2001, Vol. 90, no. 8, p4089-4091

しかしながら、従来のビスマス層状化合物では、小さい抗電界Ecと大きい残留分極Prとを両立することは難しかった。   However, it has been difficult for the conventional bismuth layered compound to achieve both a small coercive electric field Ec and a large remanent polarization Pr.

このような状況に鑑み、本発明は、抗電界Ecが小さく残留分極Prが大きいビスマス層状構造強誘電体結晶、およびその製造方法、ならびにそれを用いた電子デバイスを提供することを目的とする。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a bismuth layer-structure ferroelectric crystal having a small coercive electric field Ec and a large remanent polarization Pr, a method for producing the same, and an electronic device using the same.

上記目的を達成するため検討した結果、本発明者らは、高品質なビスマス層状構造強誘電体結晶を高い酸素分圧下で熱処理することによって、抗電界Ecが顕著に小さくなり且つ残留分極Prが大きくなる現象を初めて見出した。本発明はこの新しい知見に基づくものである。なお、以下で説明する残留分極Prおよび抗電界Ecの値は、25℃でヒステリシス特性を測定したときの値である。   As a result of investigations to achieve the above object, the present inventors have made it possible to significantly reduce the coercive electric field Ec and the residual polarization Pr by heat-treating a high-quality bismuth layer-structure ferroelectric crystal under a high oxygen partial pressure. I found the phenomenon to become large for the first time. The present invention is based on this new finding. The values of remanent polarization Pr and coercive electric field Ec described below are values when the hysteresis characteristics are measured at 25 ° C.

本発明のビスマス層状構造強誘電体結晶は、ビスマスを含む層状構造強誘電体結晶であって、25℃でヒステリシス特性を測定したときに、残留分極Pr(μC/cm)と抗電界Ec(kV/cm)とが、Ec≦35および1<Pr/Ecを満たす。 The bismuth layered structure ferroelectric crystal of the present invention is a layered structure ferroelectric crystal containing bismuth and has a residual polarization Pr (μC / cm 2 ) and a coercive electric field Ec (when a hysteresis characteristic is measured at 25 ° C. kV / cm) satisfies Ec ≦ 35 and 1 <Pr / Ec.

また、ビスマス層状構造強誘電体結晶を製造するための本発明の方法は、ビスマスおよびビスマス化合物から選ばれる少なくとも1つのビスマス供給用材料を含む材料を用いてビスマスを含む層状構造強誘電体の結晶(A)を形成する工程と、前記結晶(A)を、酸素分圧が1気圧以上の雰囲気下において熱処理する熱処理工程とを含み、前記少なくとも1つのビスマス供給用材料に含まれるビスマスの純度が99.999モル%以上である。すなわち、ビスマス供給用材料に含まれる金属元素のうち、ビスマス以外の不純物金属元素の割合は0.001モル%未満である。以下、結晶を構成する特定の金属元素を供給するための材料において、材料に含まれる金属元素全体に占める特定の金属元素のモル比を、「金属モル比」という場合がある(なお、以下で説明する元素LおよびRは、すべて金属元素として考慮する)。この方法で製造された結晶は、本発明の他のビスマス層状構造強誘電体結晶である。   In addition, the method of the present invention for producing a bismuth layered structure ferroelectric crystal includes a layered structure ferroelectric crystal containing bismuth using a material containing at least one bismuth supply material selected from bismuth and a bismuth compound. The purity of bismuth contained in the at least one bismuth supply material includes a step of forming (A) and a heat treatment step of heat-treating the crystal (A) in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 atm or higher. It is 99.999 mol% or more. That is, the ratio of impurity metal elements other than bismuth among the metal elements contained in the bismuth supply material is less than 0.001 mol%. Hereinafter, in the material for supplying the specific metal element constituting the crystal, the molar ratio of the specific metal element to the entire metal element contained in the material may be referred to as “metal molar ratio” (hereinafter, referred to as “metal molar ratio”). The elements L and R to be described are all considered as metal elements). The crystal produced by this method is another bismuth layered structure ferroelectric crystal of the present invention.

また、本発明の電子デバイスは、上記本発明のビスマス層状構造強誘電体結晶を用いている。   The electronic device of the present invention uses the bismuth layered structure ferroelectric crystal of the present invention.

本発明によれば、従来のビスマス層状構造強誘電体に比較して、小さい抗電界Ecと大きい残留分極Prとを両立できるビスマス層状構造強誘電体結晶が得られる。本発明によれば、鉛を含まない場合でも、抗電界Ecが小さく且つ残留分極Prが大きい強誘電体が得られる。このような本発明の強誘電体を用いることによって、特性が高い電子デバイスが得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a bismuth layered structure ferroelectric crystal that can achieve both a small coercive electric field Ec and a large residual polarization Pr as compared with a conventional bismuth layered structure ferroelectric. According to the present invention, even when lead is not included, a ferroelectric having a small coercive electric field Ec and a large remanent polarization Pr can be obtained. By using such a ferroelectric of the present invention, an electronic device having high characteristics can be obtained.

本発明および比較例の強誘電体結晶のヒステリシス特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the hysteresis characteristic of the ferroelectric crystal of this invention and a comparative example. 本発明の強誘電体結晶のヒステリシス特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the hysteresis characteristic of the ferroelectric crystal of this invention. 本発明の強誘電体結晶および比較例の強誘電体結晶のリーク電流の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the leakage current of the ferroelectric crystal of this invention, and the ferroelectric crystal of a comparative example.

以下に、本発明の実施の形態について説明する。まず、ビスマス層状構造強誘電体結晶を製造するための本発明の方法について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below. First, the method of the present invention for producing a bismuth layered structure ferroelectric crystal will be described.

本発明の製造方法は、ビスマスおよびビスマス化合物から選ばれる少なくとも1つのビスマス供給用材料を含む材料を用いてビスマスを含む層状構造強誘電体の結晶(A)を形成する工程を含む。このとき、ビスマス供給用材料に含まれるビスマスの純度が99.999モル%以上であることが、高い効果を得るために重要である。ビスマス化合物としては、たとえば、酸化ビスマスや硝酸ビスマス、ビスマスアルコキシドが挙げられる。   The production method of the present invention includes a step of forming a layered structure ferroelectric crystal (A) containing bismuth using a material containing at least one bismuth supply material selected from bismuth and a bismuth compound. At this time, it is important for obtaining a high effect that the purity of bismuth contained in the bismuth supply material is 99.999 mol% or more. Examples of the bismuth compound include bismuth oxide, bismuth nitrate, and bismuth alkoxide.

結晶(A)は、酸化ビスマス層と、ペロブスカイト型構造ブロックとが交互に積層された構造を有するビスマス層状構造強誘電体結晶である。そして、ペロブスカイト型構造ブロックは、Li、Na、K、Ca、Sr、Ba、Y、Bi、Pbおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素Lと、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、W、Mo、Mn、Fe、SiおよびGeから選ばれる少なくとも1つの元素Rと、酸素とによって構成される。   The crystal (A) is a bismuth layered structure ferroelectric crystal having a structure in which bismuth oxide layers and perovskite type structural blocks are alternately stacked. The perovskite structure block includes at least one element L selected from Li, Na, K, Ca, Sr, Ba, Y, Bi, Pb and rare earth elements, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, It is composed of at least one element R selected from W, Mo, Mn, Fe, Si and Ge and oxygen.

典型的には、結晶(A)の組成は以下の一般式で表される。この結晶(A)は、酸化ビスマス層[(Bi2+]と、ペロブスカイト型構造ブロック[(Lm−13m+12−]とが交互に積層された構造を有する。 Typically, the composition of the crystal (A) is represented by the following general formula. This crystal (A) has a structure in which bismuth oxide layers [(Bi 2 O 2 ) 2+ ] and perovskite-type structural blocks [(L m-1 R m O 3m + 1 ) 2- ] are alternately stacked.

(Bi)(Lm−13m+1
[式中、LはLi、Na、K、Ca、Sr、Ba、Y、Bi、Pbおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素を表す。また、RはTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、W、Mo、Mn、Fe、SiおよびGeから選ばれる少なくとも1つの元素を表す。mは、1〜5の整数を表す。]
元素Lとして用いることができる希土類元素としては、たとえば、La、Ce、Pr、NdおよびSmが挙げられる。なお、対環境の観点からは、結晶(A)は鉛(Pb)を含まないことが好ましい。結晶(A)を形成するための材料は、結晶(A)の組成に応じて選択される。
(Bi 2 O 2 ) (L m-1 R m O 3m + 1 )
[Wherein L represents at least one element selected from Li, Na, K, Ca, Sr, Ba, Y, Bi, Pb and rare earth elements. R represents at least one element selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, Mo, Mn, Fe, Si, and Ge. m represents an integer of 1 to 5. ]
Examples of rare earth elements that can be used as the element L include La, Ce, Pr, Nd, and Sm. From the viewpoint of environment, it is preferable that the crystal (A) does not contain lead (Pb). The material for forming the crystal (A) is selected according to the composition of the crystal (A).

元素LおよびRの種類および量は、結晶(A)全体の電荷がゼロになるように選択されることが好ましい。たとえば、元素LとしてBi3+を用い、元素RとしてTi4+を用いる場合には、mは3となる。電荷のバランスをくずす元素は不純物として機能する場合があり、その影響は結晶(A)が単結晶である場合に特に大きい。たとえば、BiTi12単結晶では、2価の金属イオンが不純物として機能する場合がある。そのため、電荷のバランスをくずす元素の量はできるだけ少ないことが好ましい。結晶(A)を作製するための材料に含まれるそのような元素の量は、0.01%未満(金属モル比)であることが好ましく、0.001%未満(金属モル比)であることがより好ましい。 The types and amounts of the elements L and R are preferably selected so that the charge of the entire crystal (A) becomes zero. For example, when Bi 3+ is used as the element L and Ti 4+ is used as the element R, m is 3. An element that breaks the balance of charge may function as an impurity, and the influence is particularly great when the crystal (A) is a single crystal. For example, in a Bi 4 Ti 3 O 12 single crystal, a divalent metal ion may function as an impurity. For this reason, it is preferable that the amount of the element that breaks the balance of electric charges is as small as possible. The amount of such elements contained in the material for producing the crystal (A) is preferably less than 0.01% (metal molar ratio), and less than 0.001% (metal molar ratio). Is more preferable.

結晶(A)の形態に特に限定はなく、バルクであっても薄膜であってもよい。また、結晶(A)の結晶性に限定はなく、単結晶、多結晶または微結晶のいずれであってもよい。結晶(A)が単結晶である場合、後述する熱処理工程によって、特に小さい抗電界と大きい残留分極とを示すビスマス層状構造強誘電体単結晶が得られる。   The form of the crystal (A) is not particularly limited, and may be a bulk or a thin film. Further, the crystallinity of the crystal (A) is not limited, and may be any of single crystal, polycrystal, or microcrystal. When the crystal (A) is a single crystal, a bismuth layer structure ferroelectric single crystal exhibiting a particularly small coercive electric field and a large remanent polarization can be obtained by a heat treatment step described later.

結晶(A)の好ましい一例は、基本組成がBiTi12の結晶(特に単結晶)である。ここで、基本組成とは、Bi、TiおよびO以外の元素の含有量が5原子%未満である組成をいう。また、BiTi12のTiの一部を上記元素R(たとえばVやWやNb)で置換した結晶(特に単結晶)、またはBiTi12のBiの一部を上記元素L(たとえばLaやNdなどの希土類元素)で置換した結晶(特に単結晶)、またはBiTi12のBiとLaの一部を上記元素LおよびRで同時に置換した結晶(特に単結晶)も好ましい。 A preferred example of the crystal (A) is a crystal (particularly a single crystal) having a basic composition of Bi 4 Ti 3 O 12 . Here, the basic composition refers to a composition in which the content of elements other than Bi, Ti, and O is less than 5 atomic%. Further, Bi 4 Ti 3 O 12 in a part of Ti was replaced with the element R (e.g., V, W and Nb) crystal (particularly a single crystal), or Bi 4 Ti 3 part of the above elements of O 12 and Bi A crystal (particularly a single crystal) substituted with L (for example, a rare earth element such as La or Nd), or a crystal (particularly a single crystal) in which Bi and part of Bi 4 Ti 3 O 12 are simultaneously substituted with the elements L and R Is also preferred.

本発明の方法では、結晶(A)の品質が高いことが特に重要である。結晶(A)の製造方法は、高品質な結晶(特に単結晶)を製造できる方法であればどのようなものであってもよい。たとえば、材料を溶融して冷却する方法や、化学気相堆積法(CVD法)、スパッタ法、パルスレーザ堆積法(PLD法)などを適用できる。また、ゾルゲル法やCSD(Chemical Solution Deposition)法といった溶液プロセスを用いる方法も適用できると考えられる。以下に、材料を溶融したのち冷却することによって単結晶を製造する方法の一例について説明する。   In the method of the present invention, it is particularly important that the quality of the crystal (A) is high. The production method of the crystal (A) may be any method as long as it is a method capable of producing a high quality crystal (particularly a single crystal). For example, a method of melting and cooling a material, a chemical vapor deposition method (CVD method), a sputtering method, a pulse laser deposition method (PLD method), or the like can be applied. It is also considered that a method using a solution process such as a sol-gel method or a CSD (Chemical Solution Deposition) method can be applied. Hereinafter, an example of a method for producing a single crystal by melting the material and then cooling it will be described.

この方法では、まず、Bi粉末と、それ以外の材料の粉末(たとえばTiO粉末)とを混合する。このとき、材料の純度が高いことが重要である。Bi粉末の純度は、99.999%(金属モル比)以上であることが好ましい。また、TiO粉末の純度は99.99%(金属モル比)以上であることが好ましい。 In this method, first, Bi 2 O 3 powder and powder of other materials (for example, TiO 2 powder) are mixed. At this time, it is important that the purity of the material is high. The purity of the Bi 2 O 3 powder is preferably 99.999% (metal molar ratio) or more. The purity of the TiO 2 powder is preferably 99.99% (metal molar ratio) or more.

次に、混合した粉末を、高温(たとえば1050℃〜1200℃の範囲)で一定の時間(たとえば1時間〜50時間の範囲)加熱することによって、溶融させる。その後、室温まで徐々に冷却する。高品質の単結晶を得るため、1000℃まで冷却する際の冷却速度は−5℃/時間またはそれよりも遅い速度であることが好ましく、たとえば−5℃/時間〜−1℃/時間の範囲とすることができる。1000℃から室温まで冷却する際の冷却速度は、−5℃/時間またはそれよりも遅い方が好ましいが、それより速くても、すなわち−5℃/時間よりも負に大きくてもよい。ただし、できるだけ徐冷することが好ましい。加熱および冷却の際の雰囲気は特に限定はなく、たとえば大気雰囲気でもよいが、少なくとも酸素を含むことが好ましい。このようにして結晶(A)(たとえばBiTi12単結晶)が得られる。この結晶作製法によれば、a軸もしくはb軸方向に電界を印加してヒステリシス特性を測定したときに、残留分極が20〜40μC/cm程度の範囲にあり、抗電界は40〜100kV/cm程度の範囲にある結晶を作製できる。 Next, the mixed powder is melted by heating at a high temperature (for example, a range of 1050 ° C. to 1200 ° C.) for a certain time (for example, a range of 1 hour to 50 hours). Thereafter, it is gradually cooled to room temperature. In order to obtain a high-quality single crystal, the cooling rate when cooling to 1000 ° C. is preferably −5 ° C./hour or slower, for example, in the range of −5 ° C./hour to −1 ° C./hour. It can be. The cooling rate when cooling from 1000 ° C. to room temperature is preferably −5 ° C./hour or slower, but it may be faster, that is, it may be more negative than −5 ° C./hour. However, it is preferable to slowly cool as much as possible. The atmosphere during heating and cooling is not particularly limited, and may be, for example, an air atmosphere, but preferably contains at least oxygen. In this way, crystal (A) (for example, Bi 4 Ti 3 O 12 single crystal) is obtained. According to this crystal manufacturing method, when the hysteresis characteristic is measured by applying an electric field in the a-axis or b-axis direction, the residual polarization is in the range of about 20 to 40 μC / cm 2 , and the coercive electric field is 40 to 100 kV / Crystals in the range of about cm can be produced.

次に、結晶(A)を、酸素分圧が1気圧以上の雰囲気下において熱処理する(熱処理工程)。この熱処理工程によって、結晶(A)に存在するごく微量の酸素欠陥が減少すると考えられるが、結晶(A)の組成は実質的には変わらない。このため、本発明の製造方法で製造される結晶、すなわち、本発明のビスマス層状構造強誘電体結晶は、結晶(A)について説明した組成および結晶構造を有する。たとえば、本発明のビスマス層状構造強誘電体結晶の形態に特に限定はなく、バルクであっても薄膜であってもよい。また、本発明のビスマス層状構造強誘電体結晶の結晶性に限定はなく、単結晶、多結晶または微結晶のいずれであってもよい。なお、熱処理によって結晶(A)の結晶性が向上する場合がある。   Next, the crystal (A) is heat-treated in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 atm or higher (heat treatment step). Although this heat treatment process is considered to reduce a very small amount of oxygen defects present in the crystal (A), the composition of the crystal (A) is not substantially changed. Therefore, the crystal produced by the production method of the present invention, that is, the bismuth layered structure ferroelectric crystal of the present invention has the composition and crystal structure described for the crystal (A). For example, the form of the bismuth layered structure ferroelectric crystal of the present invention is not particularly limited, and may be a bulk or a thin film. The crystallinity of the bismuth layer structure ferroelectric crystal of the present invention is not limited, and may be any of single crystal, polycrystal, or microcrystal. Note that the crystallinity of the crystal (A) may be improved by the heat treatment.

上記熱処理工程の際の酸素分圧は、1気圧よりも高いことが好ましく、より好ましくは10気圧以上、さらに好ましくは50気圧以上(たとえば100気圧以上や200気圧以上)である。酸素分圧の上限は特にないが、通常は1000気圧以下とされる。熱処理工程を行う際の雰囲気ガスは、酸素ガスのみであってもよいし、酸素ガス以外のガスを含んでもよい。このような熱処理は、一般的な加圧装置を用いて行うことができる。   The oxygen partial pressure in the heat treatment step is preferably higher than 1 atmosphere, more preferably 10 atmospheres or more, and further preferably 50 atmospheres or more (for example, 100 atmospheres or more or 200 atmospheres or more). Although there is no particular upper limit on the oxygen partial pressure, it is usually set to 1000 atm or less. The atmosphere gas at the time of performing the heat treatment step may be only oxygen gas or may contain gas other than oxygen gas. Such heat treatment can be performed using a general pressurizing apparatus.

熱処理工程は、300℃以上の温度で結晶(A)の融点未満の温度、たとえば300℃〜1000℃(好ましくは300℃〜800℃程度)の範囲の温度で行うことが好ましい。また、熱処理工程は、少なくとも結晶(A)の相転移温度(BiTi12では約670℃)以上の温度で加熱する工程を含むことが好ましい。相転移温度以上の温度に加熱することによって、結晶(A)に酸素が取り込まれやすくなると考えられる。加熱した結晶は、酸素分圧が1気圧以上の雰囲気下(典型的には加熱時と同じ雰囲気下)で冷却される。本発明の方法では、加熱した結晶を冷却する速度が重要である。300℃よりも高い温度(好ましくは相転移温度以上)に加熱した結晶を300℃まで冷却する際には、−5℃/分またはそれよりも遅い降温速度(好ましくは−1℃/分よりも遅い降温速度で、たとえば−0.5℃/分よりも遅い降温速度)で冷却することが好ましい。300℃から室温付近まで冷却する際の降温速度はそれよりも速くてもよく、たとえば−20℃/分またはそれよりも遅い降温速度(好ましくは−5℃/分よりも遅い速度で、たとえば−2℃/分よりも遅い降温速度)とすることができる。好ましい熱処理の時間は、熱処理の温度や冷却速度によって変化する。 The heat treatment step is preferably performed at a temperature of 300 ° C. or higher and lower than the melting point of the crystal (A), for example, a temperature in the range of 300 ° C. to 1000 ° C. (preferably about 300 ° C. to 800 ° C.). The heat treatment step preferably includes a step of heating at least the phase transition temperature (Bi 4 Ti 3 In O 12 to about 670 ° C.) above the temperature of the crystal (A). It is considered that oxygen is easily taken into the crystal (A) by heating to a temperature equal to or higher than the phase transition temperature. The heated crystal is cooled in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 atm or higher (typically in the same atmosphere as during heating). In the method of the present invention, the rate of cooling the heated crystals is important. When cooling a crystal heated to a temperature higher than 300 ° C. (preferably higher than the phase transition temperature) to 300 ° C., a cooling rate of −5 ° C./min or slower (preferably less than −1 ° C./min) It is preferable to cool at a slow cooling rate, for example, a cooling rate slower than −0.5 ° C./min). The cooling rate when cooling from 300 ° C. to near room temperature may be faster, for example, −20 ° C./min or slower cooling rate (preferably at a rate slower than −5 ° C./min, for example − (Cooling rate slower than 2 ° C./min). The preferable heat treatment time varies depending on the heat treatment temperature and the cooling rate.

熱処理工程の典型的な一例では、まず、結晶(A)を1時間〜20時間程度の時間で室温〜750℃程度にまで昇温する。加熱過程の相転移温度付近で1℃/時間程度の速度で非常にゆっくりと加熱する必要がある場合もある。その後、その温度±10℃の温度を2時間〜20時間程度維持する。それから、400℃〜300℃程度になるまで、−1℃/分〜−5℃/分程度の降温速度またはそれよりも遅い降温速度で冷却する。その後、室温まで、−5℃/分〜−20℃/分程度の降温速度またはそれよりも遅い降温速度で冷却する。このような熱処理工程における典型的な酸素分圧は、10気圧以上であり、たとえば10気圧〜200気圧の範囲である。   In a typical example of the heat treatment step, first, the temperature of the crystal (A) is raised from room temperature to about 750 ° C. in a time of about 1 to 20 hours. It may be necessary to heat very slowly at a rate of about 1 ° C./hour near the phase transition temperature of the heating process. Thereafter, the temperature ± 10 ° C. is maintained for about 2 to 20 hours. Then, cooling is performed at a temperature decreasing rate of about -1 ° C / min to -5 ° C / min or a temperature decreasing rate lower than 400 ° C to 300 ° C. Then, it cools to room temperature with the temperature-fall rate of about -5 degrees C / min. A typical oxygen partial pressure in such a heat treatment step is 10 atmospheres or more, for example, in the range of 10 atmospheres to 200 atmospheres.

熱処理工程によって、結晶(A)の特性を大きく向上させることができる。特に、熱処理工程によって、抗電界Ecを低減できるとともに、残留分極Prを大きくできる。この方法で得られる結晶は、a軸もしくはb軸方向に電界を印加してヒステリシス特性を測定した場合に、特に小さい抗電界Ecと特に大きい残留分極Prとを示す。たとえば、この方法によれば、結晶のa軸もしくはb軸方向に電界を印加してヒステリシス特性を測定したときに、残留分極が45μC/cm以上で抗電界が35kV/cm以下であるビスマス層状構造強誘電体結晶を得ることが可能である。これらの値は、ビスマス層状構造強誘電体では全く達成されていなかった値である。また、上記方法において条件を最適化することによって、残留分極が50μC/cm以上で抗電界が20kV/cm以下であるビスマス層状構造強誘電体結晶を得ることも可能である。 The characteristics of the crystal (A) can be greatly improved by the heat treatment step. In particular, the coercive electric field Ec can be reduced and the residual polarization Pr can be increased by the heat treatment process. The crystal obtained by this method exhibits a particularly small coercive electric field Ec and a particularly large remanent polarization Pr when the hysteresis characteristic is measured by applying an electric field in the a-axis or b-axis direction. For example, according to this method, when the hysteresis characteristic is measured by applying an electric field in the a-axis or b-axis direction of the crystal, the remanent polarization is 45 μC / cm 2 or more and the coercive electric field is 35 kV / cm or less. It is possible to obtain a structural ferroelectric crystal. These values are values that were not achieved at all in the bismuth layered structure ferroelectrics. Also, by optimizing the conditions in the above method, it is possible to obtain a bismuth layered structure ferroelectric crystal having a remanent polarization of 50 μC / cm 2 or more and a coercive electric field of 20 kV / cm or less.

また、上記方法で得られる本発明のビスマス層状構造強誘電体結晶では、a軸もしくはb軸方向に電界を印加してヒステリシス特性を測定した場合のヒステリシス曲線が、従来のビスマス層状構造強誘電体結晶のヒステリシス特性と比較して、より矩形に近い形状をしている。たとえば、本発明のビスマス層状構造強誘電体結晶では、a軸もしくはb軸方向に電界を印加してヒステリシス特性を測定した場合の残留分極Pr(μC/cm)と抗電界Ec(kV/cm)との比、すなわちPr/Ecの値が大きい。具体的には、Ec≦35で且つ1<Pr/Ecを達成できる。同様に、45≦Prで且つ1<Pr/Ecを達成できる。 Further, in the bismuth layered structure ferroelectric crystal of the present invention obtained by the above method, the hysteresis curve when the hysteresis characteristic is measured by applying an electric field in the a-axis or b-axis direction is a conventional bismuth layered structure ferroelectric. Compared to the hysteresis characteristics of crystals, it has a more rectangular shape. For example, in the bismuth layered structure ferroelectric crystal of the present invention, the residual polarization Pr (μC / cm 2 ) and coercive electric field Ec (kV / cm 2 ) when the hysteresis characteristic is measured by applying an electric field in the a-axis or b-axis direction. ), That is, the value of Pr / Ec is large. Specifically, Ec ≦ 35 and 1 <Pr / Ec can be achieved. Similarly, 45 ≦ Pr and 1 <Pr / Ec can be achieved.

なお、残留分極とは、電界が反転するとき、すなわち印加される電界が0kV/cmとなるとき、の分極の大きさであり、図1では、ヒステリシス曲線とY軸との交点における分極の大きさである。また、抗電界とは、分極が反転するとき、すなわち分極が0C/cmとなるとき、の電界の大きさであり、図1では、ヒステリシス曲線とX軸との交点における電界の大きさである。 The remanent polarization is the magnitude of polarization when the electric field is inverted, that is, when the applied electric field is 0 kV / cm. In FIG. 1, the magnitude of polarization at the intersection of the hysteresis curve and the Y axis. That's it. The coercive electric field is the magnitude of the electric field when the polarization is reversed, that is, when the polarization is 0 C / cm 2 , and in FIG. 1, the magnitude of the electric field at the intersection of the hysteresis curve and the X axis. is there.

上記ビスマス層状構造強誘電体は、様々な分野に利用でき、特に電子デバイスに利用することによって高い効果が得られる。本発明の強誘電体結晶を適用できる代表的な電子デバイスとしては、不揮発性メモリや圧電デバイスを挙げることができる。これらは、公知の電子デバイスの強誘電体の部分を本発明の強誘電体結晶に置き換えることによって実現できる。この場合、a軸もしくはb軸方向に電界を印加したときに高い特性が得られるという本発明の強誘電体結晶の特性を生かしてデバイスを構成することが好ましい。   The bismuth layered structure ferroelectric can be used in various fields, and in particular, a high effect can be obtained by using it in an electronic device. Typical electronic devices to which the ferroelectric crystal of the present invention can be applied include a nonvolatile memory and a piezoelectric device. These can be realized by replacing the ferroelectric portion of a known electronic device with the ferroelectric crystal of the present invention. In this case, it is preferable to configure the device by taking advantage of the characteristics of the ferroelectric crystal of the present invention that high characteristics can be obtained when an electric field is applied in the a-axis or b-axis direction.

不揮発性メモリでは、抗電界Ecが小さい本発明の強誘電体を用いることによって、駆動電圧を低くできる。また、残留分極Prが大きい本発明の強誘電体を用いることによって、記憶容量が大きい高密度メモリデバイスが構築できる。   In the nonvolatile memory, the drive voltage can be lowered by using the ferroelectric of the present invention having a small coercive electric field Ec. Further, by using the ferroelectric of the present invention having a large remanent polarization Pr, a high-density memory device having a large storage capacity can be constructed.

圧電デバイスの例としては、たとえば、電子ライターの発火装置、電子スピーカー、電子ブザー、圧電トランス、発振子、圧電センサ、およびソナーなどが挙げられる。抗電界Ecが小さい本発明の強誘電体を用いることによって、ポーリング処理が容易になり、得られる圧電特性が向上する。   Examples of the piezoelectric device include an electronic lighter ignition device, an electronic speaker, an electronic buzzer, a piezoelectric transformer, an oscillator, a piezoelectric sensor, and a sonar. By using the ferroelectric of the present invention having a small coercive electric field Ec, the poling process is facilitated and the obtained piezoelectric characteristics are improved.

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

実施例1では、本発明の強誘電体結晶を作製し、その特性を測定した一例について説明する。   In Example 1, an example in which the ferroelectric crystal of the present invention was produced and its characteristics were measured will be described.

まず、以下の方法で、結晶(A)としてBiTi12の単結晶を作製した。最初に、95gのBiの粉末(株式会社高純度化学研究所製、純度99.9999%(金属モル比))と、5gのTiOの粉末(株式会社高純度化学研究所製、純度99.99%(金属モル比))とを混合し、白金るつぼに充填した。次に、このるつぼを1150℃で5時間加熱し、溶融した。材料の融液は、1000℃までは−5℃/時間の冷却速度で冷却し、その後は室温まで徐冷した。材料の溶融および冷却の際の雰囲気は、空気とした。得られたBiTi12単結晶は、硝酸で洗浄して残存した金属BiおよびBiを除去したのち、特性を測定するために直方体状の試験片を切り出した。試験片は、a軸もしくはb軸方向の長さを0.1から0.2mmとし、a軸もしくはb軸方向に垂直な方向のサイズを0.1mm×1mmとした。 First, a single crystal of Bi 4 Ti 3 O 12 was produced as the crystal (A) by the following method. First, 95 g of Bi 2 O 3 powder (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.9999% (metal molar ratio)) and 5 g of TiO 2 powder (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., 99.99% purity (metal molar ratio)) and mixed in a platinum crucible. Next, this crucible was heated at 1150 ° C. for 5 hours to melt. The melt of the material was cooled to 1000 ° C. at a cooling rate of −5 ° C./hour, and then gradually cooled to room temperature. The atmosphere during melting and cooling of the material was air. The obtained Bi 4 Ti 3 O 12 single crystal was washed with nitric acid to remove the remaining metal Bi and Bi 2 O 3 , and then a rectangular parallelepiped test piece was cut out to measure the characteristics. The test piece had a length in the a-axis or b-axis direction of 0.1 to 0.2 mm, and a size perpendicular to the a-axis or b-axis direction was 0.1 mm × 1 mm.

次に、試験片を、200気圧の純酸素ガス雰囲気下で熱処理した。具体的には、まず、200気圧程度の純酸素ガス中で、試験片を室温から750℃まで1.5時間かけて昇温し、750℃の温度で5時間加熱した。次に、試験片の温度が300℃になるまで12時間かけて降温させた。次に、試験片の温度が室温になるまで3時間かけて降温させた。降温時の雰囲気も、200気圧程度の純酸素ガス雰囲気とした。また、昇温時の昇温速度および降温時の降温速度はほぼ一定とした。次に、熱処理後の試験片のa軸もしくはb軸に垂直な面上に、スパッタ法によって金電極を形成し、測定用のサンプル1を得た。   Next, the test piece was heat-treated in a 200 atmospheres pure oxygen gas atmosphere. Specifically, first, the test piece was heated from room temperature to 750 ° C. over 1.5 hours in pure oxygen gas of about 200 atm, and heated at a temperature of 750 ° C. for 5 hours. Next, the temperature was lowered over 12 hours until the temperature of the test piece reached 300 ° C. Next, the temperature of the test piece was lowered over 3 hours until it reached room temperature. The atmosphere during the temperature drop was also a pure oxygen gas atmosphere of about 200 atm. In addition, the temperature increase rate during temperature increase and the temperature decrease rate during temperature decrease were set to be substantially constant. Next, a gold electrode was formed by a sputtering method on a surface perpendicular to the a-axis or b-axis of the test piece after the heat treatment to obtain a sample 1 for measurement.

また、熱処理時の酸素分圧、すなわち純酸素ガス雰囲気の圧力を1気圧または10気圧として熱処理を行い、サンプル2および3を作製した。また、比較例として、熱処理を行っていない試験片にも金電極を形成し、比較サンプル1を得た。   Further, samples 2 and 3 were manufactured by performing heat treatment with the oxygen partial pressure during the heat treatment, that is, the pressure of the pure oxygen gas atmosphere being 1 atm or 10 atm. As a comparative example, a gold electrode was formed on a test piece that was not heat-treated, and Comparative Sample 1 was obtained.

このようにして得られた4種類の測定用サンプルについて、バーチャルグランド方式でヒステリシス特性を測定した。ヒステリシスの測定は、25℃のシリコーンオイル中で1Hzの三角波の交流電圧を使用して行った。測定はa軸もしくはb軸方向に電界を印加して行った。測定結果を図1および図2ならびに表1に示す。   The hysteresis characteristics of the four types of measurement samples thus obtained were measured by the virtual ground method. The hysteresis was measured using a 1 Hz triangular wave AC voltage in 25 ° C. silicone oil. The measurement was performed by applying an electric field in the a-axis or b-axis direction. The measurement results are shown in FIGS. 1 and 2 and Table 1.

Figure 0005170580
Figure 0005170580

図1および2に示すように、本発明の単結晶は、ほぼ対称なヒステリシス特性を示す。図および表から明らかなように、熱処理によって抗電界が減少し、残留分極が増大した。この効果は酸素分圧が高いほど顕著であり、酸素分圧が200気圧の条件で熱処理することによって、Ecが40kV/cmから20kV/cmへ劇的に減少し、残留分極Prが40μC/cmから50μC/cmまで増大した。 As shown in FIGS. 1 and 2, the single crystal of the present invention exhibits a substantially symmetrical hysteresis characteristic. As is apparent from the figure and table, the coercive electric field was decreased by heat treatment, and the remanent polarization was increased. This effect becomes more prominent as the oxygen partial pressure is higher. Ec is drastically reduced from 40 kV / cm to 20 kV / cm by performing heat treatment under the condition where the oxygen partial pressure is 200 atm, and the residual polarization Pr is 40 μC / cm. Increased from 2 to 50 μC / cm 2 .

実施例2では、結晶(A)の材料の純度の影響を評価した結果について説明する。この実施例では、純度が99.99%(金属モル比)および99.9999%(金属モル比)のBi粉末を用いて2種類のBiTi12単結晶を作製し、それぞれを1気圧の純酸素中で熱処理した。そして、熱処理後のヒステリシス特性を測定しようとしたところ、純度が99.99%のBi粉末を用いて作製したBiTi12単結晶は、リーク電流が大きすぎてヒステリシス特性が測定できなかった。両者のリーク電流を図3に示す。これらの結果から明らかなように、単結晶の材料の純度が高いことが重要である。なお、純度が99.999%(金属モル比)のBi粉末を用いた場合でも、本発明の効果が得られる。 In Example 2, the result of evaluating the influence of the purity of the material of the crystal (A) will be described. In this example, two types of Bi 4 Ti 3 O 12 single crystals were produced using Bi 2 O 3 powders with a purity of 99.99% (metal molar ratio) and 99.9999% (metal molar ratio), Each was heat-treated in pure oxygen at 1 atm. Then, when an attempt is made to measure the hysteresis characteristics after heat treatment, purity Bi 4 Ti 3 O 12 single crystal was produced using a 99.99% Bi 2 O 3 powder, hysteresis characteristics leakage current is too large, It was not possible to measure. The leakage currents of both are shown in FIG. As is clear from these results, it is important that the purity of the single crystal material is high. Even when Bi 2 O 3 powder having a purity of 99.999% (metal molar ratio) is used, the effects of the present invention can be obtained.

以上、本発明の実施の形態について例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用することができる。   Although the embodiments of the present invention have been described above by way of examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to other embodiments based on the technical idea of the present invention.

本発明は、強誘電体、およびそれを用いるデバイスに適用でき、たとえば、不揮発性メモリや圧電デバイスに適用できる。   The present invention can be applied to a ferroelectric and a device using the same, for example, a nonvolatile memory and a piezoelectric device.

Claims (4)

ビスマスおよびビスマス化合物から選ばれる少なくとも1つのビスマス供給用材料を含む材料を用いてビスマスを含む層状構造強誘電体の結晶(A)を形成する工程と、
前記結晶(A)を、酸素分圧が1気圧以上の雰囲気下において熱処理する熱処理工程とを含み、
前記少なくとも1つのビスマス供給用材料に含まれるビスマスの純度が99.999モル%以上であり、
前記結晶(A)がBi Ti 12 単結晶である、ビスマス層状構造強誘電体結晶の製造方法。
Forming a layered structure ferroelectric crystal (A) containing bismuth using a material containing at least one bismuth supply material selected from bismuth and a bismuth compound;
A heat treatment step of heat-treating the crystal (A) in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 atm or more,
Wherein Ri der purity bismuth more than 99.999 mole% is included in at least one of bismuth feed materials,
A method for producing a ferroelectric crystal having a bismuth layer structure , wherein the crystal (A) is a Bi 4 Ti 3 O 12 single crystal .
前記熱処理の温度が、300℃以上で前記結晶(A)の融点未満である請求項1に記載のビスマス層状構造強誘電体結晶の製造方法。 2. The method for producing a ferroelectric crystal having a bismuth layer structure according to claim 1, wherein the temperature of the heat treatment is 300 ° C. or higher and lower than the melting point of the crystal (A). 前記熱処理工程は、前記結晶(A)を300℃よりも高い温度まで加熱したのち、−1℃/分よりも遅い降温速度で300℃まで冷却する工程を含む請求項2に記載のビスマス層状構造強誘電体結晶の製造方法。 3. The bismuth layered structure according to claim 2, wherein the heat treatment step includes a step of heating the crystal (A) to a temperature higher than 300 ° C. and then cooling to 300 ° C. at a temperature lowering rate slower than −1 ° C./min. A method for producing a ferroelectric crystal. 前記酸素分圧が10気圧以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載のビスマス層状構造強誘電体結晶の製造方法。 The method for producing a ferroelectric crystal having a bismuth layer structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxygen partial pressure is 10 atm or more.
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