JP5599185B2 - 圧電材料および圧電素子 - Google Patents

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Description

本発明は圧電材料および圧電素子に関し、特に非鉛金属酸化物よりなる新規の圧電材料および圧電素子に関する。
圧電性セラミックスは、チタン酸ジルコニウム酸鉛(以下「PZT」という)のようなABO型セラミックスが一般的である。例えば、非特許文献1には、PZTを用いた強誘電体が記載されている。
しかしながら、PZTはAサイト元素として鉛を含有するために、環境に対する影響が問題視されている。このため、鉛を含有しないペロブスカイト型酸化物を用いた圧電材料の提案がなされている。
例えば、鉛を含有しないペロブスカイト型酸化物からなる圧電体として非特許文献2には、Bi系材料としてBi(Zn0.5Ti0.5)Oが記載されている。しかし、Bi(Zn0.5Ti0.5)Oは材料合成が困難であり、高いキュリー温度のため分極処理も困難であるため、その圧電性能は明らかになっていない。
また、BiFeOを主成分とした圧電材料の提案がなされている。例えば、特許文献1には、AサイトにLaを含有するBiFeO系材料が開示されている。BiFeOは、良好な強誘電体であり、残留分極量も低温で高い値が報告されている。しかしBiFeOには、その絶縁性が低いために電界印加下での変位量を大きく確保できないという問題がある。
また非特許文献3には、高圧合成法により得られたBiAlO圧電材料の開示がある。ただし、BiAlOの圧電性能も実用可能な範疇には至っていない。
特開2007−287739号公報
"Applied Physics Letters"、1991年、第58巻、第11号、p.1161から1163 "Chemistry of Materials"2006年、第18巻、第21号、p.4987から4989 "Chemistry of Materials"2007年、第19巻、第26号、p.6385から6390
本発明は、このような課題に対処するためになされたもので、圧電体としての性能に優れるBi系圧電材料およびその圧電材料を用いた圧電素子を提供するものである。
上記の課題を解決する圧電材料は、下記一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなり、前記ペロブスカイト型複合酸化物の結晶系が少なくとも単斜晶構造を含んでいることを特徴とする。
Figure 0005599185
(式中、AはBi元素であり、MはFe、Al、Sc、Mn、Y、Ga、Ybのうちの少なくとも1種の元素である。xは0.4≦x≦0.6の数値を表す。yは0.17≦y≦0.60の数値を表す。)
上記の課題を解決する圧電素子は、上記の圧電材料を用いたことを特徴とする圧電素子である。
本発明によれば、他の結晶系と比較して分極軸の回転が外部電場に対して敏感となる単斜晶構造を有する圧電特性が良好な圧電材料及びその圧電材料を用いた圧電素子を提供することができる。
さらに、本発明の圧電材料は、鉛を使用していないために環境に対する影響がなく、またアルカリ金属を使用していないために、圧電素子に使用した際に、耐久性の面でも有利となる。
本発明の圧電材料の一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物の結晶系の混合状態を模式的に表わした図である。 本発明の圧電材料を用いた圧電素子の一例を模式的に表した図である。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。
本発明は、圧電体としての性能に優れるBi系圧電体をベースとし、圧電特性の良好な新規の圧電材料を提供するものである。
本発明に係る圧電素子は、下記一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなり、前記ペロブスカイト型複合酸化物の結晶系が少なくとも単斜晶構造を含んでいることを特徴とする。
Figure 0005599185
(式中、AはBi元素であり、MはFe、Al、Sc、Mn、Y、Ga、Ybのうちの少なくとも1種の元素である。xは0.4≦x≦0.6の数値を表す。yは0.17≦y≦0.60の数値を表す。)
ペロブスカイト型酸化物は、一般にABOの化学式で表現される。ペロブスカイト型酸化物において、元素A、Bは各々イオンの形でAサイト、Bサイトと呼ばれる単位結晶格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位結晶格子であれば、A元素は立方体の頂点、B元素は体心に位置する。O元素は酸素の陰イオンとして面心位置を占める。
前記一般式(1)で表される化合物は、A(ZnTi(1−x))OとAMOで表わされる複数のペロブスカイト型酸化物の固溶体を意味している。前記一般式(1)において、Aは主にAサイトに位置する金属元素であり、(ZnTi(1−x))およびMは主にBサイトに位置する元素である。
前記一般式(1)においては、理想的な組成比として、AサイトとBサイトの金属数が同じとなるように表記している。Aサイト金属の個数がBサイトに対して過剰であったり不足したりすると、過剰分が結晶粒界に析出したり不足分が欠陥サイトとなったりするため、例えば絶縁性に悪影響が出ることがある。Bサイトに対するAサイト金属量のモル比の許容範囲は、例えば、Aサイト/Bサイト=0.95以上1.30以下である。Aサイト金属量が前記の範囲を逸脱すると、絶縁性だけでなく圧電性も著しく低下する。
AはBiよりなる。この場合、A(ZnTi(1−x))O単体はアスペクト比の大きな正方晶構造をとる。
ZnとTiの比率を示すxは0.4≦x≦0.6であり、もっとも好ましい値は0.5である。Znが2価、Tiが4価の陽イオンとして結晶格子内に存在しているとすると、xが0.5の時に電荷のバランスが取れているため、酸化物全体の絶縁性が高まる。ただし、Bサイト元素やドーパントの種類によって、絶縁性を高める目的でxは0.4から0.6の範囲で変化させても良い。
Mは、一般式(1)のFe、Al、Sc、Mn、Y、Ga、Ybのいずれか、またはこれらの組み合わせから選択される。より好ましくは、前記一般式(1)において、MはFe、Alの少なくとも一方、あるいは両方の元素よりなる。
単体では正方晶構造であるA(ZnTi(1−x))Oと非正方晶構造であるAMOを相互に固溶させることで、その固溶体の外部電場に対する圧電効果が大きくなる。そのとき、両者の固溶比率を示すyの範囲が0.17≦y≦0.60であると単体以上の圧電性能が得られる。yの値が0.17より小さいとAMO単体の性質の影響が大きくなり、誘電損失が大きくなるおそれがある。逆に、yの値が0.6より大きいA(ZnTi(1−x))O単体の性質の影響が大きくなり、焼結密度が小さくなるおそれがある。
さらにyの範囲が0.17≦y≦0.44であると本発明の圧電材料は正方晶構造と非正方晶構造の組成相境界、すなわち単斜晶構造の支配的な領域に近づく。組成相境界またはその近傍の組成では、分極軸方向のスイッチングが容易に起こりうるため、大きな圧電効果を期待できる。
AがBi元素であると、Aサイト元素とO元素より構成されるペロブスカイト骨格の対称性が高くなって圧電材料の外部刺激に対する安定性が向上する。また、Bi元素特有の強固な結合のために圧電材料のキュリー温度を高くしたり内部分極の変動幅を大きくしたりする効果が得られる。
AがBi元素のみであると、Aサイト元素とO元素より構成されるペロブスカイト骨格が電気的に安定になる。
また、本発明の圧電材料の製造を容易にしたり、本発明の圧電材料の物性を調整する目的でAにBi以外の元素を含ませても良い。Aに含ませる元素は3価の金属元素が好ましい。例えば、La、Ce、Pr、Tm、Yb、Dy等の3価のランタノイド元素が挙げられる。Aに含ませる元素の含有量は30モル%以下であることが望ましい。
ただし、Aにおいて上記に例示した物質が付加的に添加されることがあったとしてもBiの占める比率が70モル%未満であると本発明の圧電材料の絶縁性が低下するおそれがある。なお、本明細書においてモル%とは、指定サイトを占める全物質量に対する指定元素の物質量を百分率で表したものである。
本発明の圧電材料の望ましいキュリー温度は、600℃以下である。さらに好ましくは450℃以上600℃以下である。キュリー温度が450℃以上である事により、デバイス化した場合に、温度による特性変動の少ない材料を提供出来る。また、キュリー温度が600℃以下である事により、素子化の際の分極処理が容易である材料を提供することができる。
本発明の圧電材料において、一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物の結晶系は、少なくとも単斜晶構造を含んでいることが好ましい。より好ましい結晶系は、少なくとも単斜晶構造と菱面体晶構造を有する混在系、あるいは少なくとも単斜晶構造と正方晶構造を有する混在系である。
本発明において、単斜晶、菱面体晶、正方晶の構造は、以下のように定義する。ただし、下記の「=」は実質的に等しいことを表す。β角は結晶格子のa軸とc軸のなす角度を表す。
菱面体晶:a軸長=c軸長、かつβ角≠90°
単斜晶 :a軸長≠c軸長、かつβ角≠90°
正方晶 :a軸長≠c軸長、かつβ角=90°
図1は、本発明の圧電材料の一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物において、縦軸を002面の間隔(=c軸長/2)、横軸をyと取り、結晶系の混合状態を模式的に表わした図である。本発明における圧電材料において、正方晶と菱面体晶の格子定数を比較すると、a軸長、b軸長の変化に比べ、c軸長の変化が特に大きいことが分かっている。すなわち、図1によると本発明のA(ZnTi(1−x))OとAMOの固溶体の菱面体晶構造と正方晶構造では単位格子あたりの体積の違いが大きいことが分かる。異なる結晶系の単位格子における体積の違いは、結晶系の相間の転移(分極のスイッチング)を阻害する要因となり得る。そこで中間体積である単斜晶を混在させると、正方晶のみ、菱面体晶のみ、もしくは正方晶と菱面体晶の混合系と比べて、相間の転移が容易となり、圧電特性が向上する。
本発明の圧電材料において、一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物が単斜晶構造を有していると、他の結晶系と比較して分極軸の回転が外部電場に対して敏感となる。その結果として、外部電場の強さあたりの圧電による変位量が大きくなる。すなわち圧電定数が大きくなる。
次に、前記一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物が少なくとも単斜晶構造と菱面体晶構造を有する混在系、あるいは、少なくとも単斜晶構造と正方晶構造を有する混在系である場合の現象について説明する。このような混在系の場合、各結晶単位格子は前記の結晶系構造(例えば、単斜晶構造、菱面体晶構造、正方晶構造)のいずれか、またはそれらの中間的な結晶系構造をとる。これらの互いに状態の異なる結晶単位格子の集まりが混在して全体の結晶構造を構成しているのだが、各状態のエネルギー準位の差は小さい。そのため、外部電場を印加した時に各状態間の遷移が容易に起こるようになる。この遷移は結晶系の変化を伴なうために巨大な圧電変位を生ずることになる。
前記圧電材料は基板上に設けられた厚み200nm以上10μm以下、より好ましくは300nm以上3μm以下の膜であることが望ましい。圧電材料の膜厚を200nm以上10μm以下とすることで圧電素子として充分な電気機械変換機能を得られるとともに、圧電素子の高密度化を期待できる。
前記膜の積層製法は特に制限されない。例えば、化学溶液堆積法(CSD法、ゾルゲル法とも言う)、有機金属化合物化学的気相堆積法(MOCVD法)、スパッタリング法、パルスレーザデポジション法(PLD法)、水熱合成法、エアロゾルデポジション法(AD法)などが挙げられる。このうち、もっとも好ましい積層方法は有機金属化合物化学的気相堆積法または化学溶液堆積法である。有機金属化合物化学的気相堆積法および化学溶液堆積法は、金属組成の精密制御に優れた成膜方法である。
本発明において有機金属化合物化学的気相堆積法とは、キャリアガスにより送り込まれた有機金属化合物の熱分解により基板上に目的とする金属酸化物を成長させる成膜方法の総称を指す。有機金属気相成長法、MOCVD法、MOVPE法とも言われる。
本発明において化学溶液堆積法とは、基板上へ目的とする金属酸化物の前駆体溶液を塗布した後に加熱して結晶化させることで目的とする金属酸化物を得る成膜方法の総称を指す。一般に、CSD法、ゾルゲル法、有機金属分解法と呼ばれている成膜方法を本用語に含む。
有機金属化合物化学的気相堆積法または化学溶液堆積法で用いる金属化合物の例として、加水分解性または熱分解性の有機金属化合物が挙げられる。例えば、目的材料に含まれる金属の金属アルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体などの金属錯体が代表例である。
前記膜状の圧電材料において、yの範囲は0.17≦y≦0.44であることが好ましい。yが0.17より小さい組成範囲では、非正方晶構造であるAMOの性質が優勢となる。逆にyが0.44より大きい組成範囲では、A(ZnTi(1−x))Oの性質が優勢となる。これらに対してyの範囲が0.17≦y≦0.44であると、AMOとA(ZnTi(1−x))Oの組成相境界、すなわち単斜晶構造の支配的な領域の効果が現れ、圧電性や誘電性が大きくなる。組成範囲が組成相境界の近辺であることは、X線回折測定などにおいて単斜晶構造が存在していることにより確認できる。
図2は、本発明の圧電材料を用いた圧電素子の一例を示す模式図である。図2に示される圧電素子は、基板1、下部電極2、本発明の圧電材料3、上部電極4よりなる。
基板1の材質は特に限定されないが、通常800℃以下で行われる焼成工程において変形、溶融しない材質が好ましい。例えば、酸化マグネシウムやチタン酸ストロンチウムなどからなる単結晶基板や、ジルコニアやアルミナ、シリカなどのセラミック基板や、シリコン(Si)やタングステン(W)などからなる半導体基板や、耐熱ステンレス(SUS)基板が好ましく用いられる。これらの材料を複数種類組み合わせてもよいし、積層して多層構成として用いてもよい。圧電素子の一方の電極を兼ねる目的で、導電性金属や導電性金属酸化物を基板中にドーピングしたり、基板表面に積層したりして用いても良い。
これらの基板の中でも本発明の圧電材料に用いる基板は(001)面または(111)面に選択的に配向した単結晶基板であることが好ましい。
特定面に配向した単結晶基板を用いることで、その基板表面に設けられた膜状の圧電材料も同一方位に強く配向させることができる。圧電材料が(001)面または(111)面に配向していると、膜の垂直方向に分極のモーメントが揃うために圧電効果の向上が見込める。
下部電極2、上部電極4は5nmから2000nm程度の層厚を有する導電層よりなる。その材料は特に限定されず、圧電素子に通常用いられているものであればよく、例えば、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Niなどの金属およびこれらの酸化物を挙げることができる。下部電極2、上部電極4は、これらのうちの1種からなるものであっても、あるいはこれらの2種以上を積層してなるものであってもよい。
これらの電極の製造方法は特に制限されない。例えば、化学溶液堆積法、有機金属化合物化学的気相堆積法、スパッタリング法、パルスレーザデポジション法、水熱合成法、エアロゾルデポジション法などが挙げられる。また下部電極2、上部電極4とも所望の形状にパタンニングして用いても良い。
本発明の圧電材料は上記の例に限らず、超音波振動子、圧電アクチュエータ、圧電センサ、強誘電メモリといったデバイスに用いることができる。
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。
実施例1から7
表1の各実施例に対応した組成の複合金属酸化物薄膜を間欠式の有機金属化合物化学的気相堆積法により基板上に成膜した。
薄膜を形成する基板には、下部電極として膜厚約100nmのルテニウム酸ストロンチウムを成膜面に有する(100)配向のチタン酸ストロンチウム単結晶基板を用いた。
各金属の酸化物原料としては、ジメチル(2−(N,N−ジメチルアミノメチル)フェニル)ビスマス(Bi(CH(2−(CHNCHPh))、トリ(エチルペンタジエニル)鉄(Fe(C)、ビス(6−エチル−2,2−ジメチル−3,5−デカンジオナート)亜鉛(Zn(EDMDD))、テトラ―i―プロポキシチタン(Ti(O・i−Pr))を用いた。
キャリアガスには窒素、パージガスには酸素を用いて、10秒間供給する毎に5秒間供給を休めて間欠的に成膜を行った。成膜温度は770℃とした。合計200パルス(50分間)の成膜を実施することで、膜厚260nmから480nmの本発明の圧電材料薄膜を得た。
X線回折測定によると、いずれの圧電材料もペロブスカイト構造であることがわかった。また、その結晶系は、単斜晶構造と菱面体晶構造を有する混在系、または単斜晶構造と正方晶構造を有する混在系であった。
これらの薄膜状圧電材料の表面に100μmφの白金電極をスパッタリング法で設けて圧電素子とした。この圧電素子を電気測定に用いた。結果を表1に組成と共に示す。
表1に記載の強誘電性は、−60℃から30℃の温度範囲でP−Eヒステリシス測定を行い、外部電場の大きさを正負に変化させることにより自発分極が反転するという強誘電体に特有の履歴曲線が観測された場合に○印を記載した。
キュリー温度の測定は、加熱冷却ユニットを備えたX線回折装置およびインピーダンスアナライザにより行なった。表1に記載のキュリー温度は、−150℃から330℃の範囲でX線回折測定および誘電率測定を行って結晶相の転移する温度または誘電率が極大を示す温度より特定した。
誘電率および誘電損失の測定はインピーダンスアナライザにより行なった。表1に記載の誘電率および誘電損失は25℃、1kHzでの数値を用いた。本明細に記載の誘電率は、すべて真空の誘電率との比である比誘電率の値を記載している。
また、各実施例の圧電材料を用いた圧電素子について、d33モードの圧電挙動を観測した。具体的には、材料表面の上部電極をφ100μmパターンに加工し、上下電極に電圧を印加した際の微小変位を走査型プローブ顕微鏡(SPM)により測定した。
その結果、実施例1から7の全ての圧電材料について、外部電場に応じた変位が観測された。外部電場を−10Vから+10Vまで変化させた時に得られるバタフライ形状の変位量曲線から計算した圧電d33定数は、いずれも30pm/V以上であった。
本発明の圧電材料のd33定数の最大値は、実施例3における85pm/Vであった。
比較例1から5
実施例1と同様にして、表1に示す目的組成の金属酸化物を間欠式の有機金属化合物化学的気相堆積法により作製した。
実施例1と同様にして比較例1から5の金属酸化物材料に電極を形成して、電気測定を行った。結果を表1に組成と共に示す。比較例1から5の金属酸化物材料は、実施例の圧電材料と比べて誘電率が小さかった。またy値の小さい比較例1、2では誘電損失が大きな値を示した。
比較例6
実施例1と同様にして、表1に示す目的組成の金属酸化物を間欠式の有機金属化合物化学的気相堆積法により作製した。
比較例6の組成はBiFeOであり、X線回折測定から菱面体晶のペロブスカイト構造であることがわかった。
実施例1と同様にして比較例6の金属酸化物材料に電極を形成して、電気測定を行った。結果を表1に組成と共に示す。比較例6の金属酸化物材料は、実施例の圧電材料と比べて誘電率が小さく、誘電損失が大きかった。
また、比較例1から6の金属酸化物材料についても実施例1と同様にして圧電d33定数を測定したが、30pm/V以上のd33定数は観測できなかった。
Figure 0005599185
表1によると、本発明の圧電材料は全て強誘電性を示している。すなわち、実施例1から7の材料はどれも圧電性があることがわかる。また、本発明の圧電材料は全て330℃以上のキュリー温度を有しており、−150℃から330℃の温度範囲で安定した電気特性を示した。
また、本発明の圧電材料は、いずれも比較例の金属酸化物より大きな誘電率を示していることから圧電性能もより優れていることが示唆された。
本発明の圧電材料は、MEMS技術にも応用可能で、高い環境温度においても良好な圧電性を発現し、環境に対してもクリーンなので、超音波モータやピエゾ素子等の圧電材料を多く用いる機器にも問題なく利用することができる。
1 基板
2 下部電極
3 圧電材料
4 上部電極

Claims (12)

  1. 下記一般式(1)で表されるペロブスカイト型複合酸化物からなり、前記ペロブスカイト型複合酸化物の結晶系が少なくとも単斜晶構造を含んでいることを特徴とする圧電材料。
    Figure 0005599185
    (式中、AはBi元素であり、MはFeである。xは0.4≦x≦0.6の数値を表す。yは0.17≦y≦0.60の数値を表す。)
  2. 前記ペロブスカイト型複合酸化物の結晶系が、少なくとも単斜晶構造と菱面体晶構造を有する混在系であることを特徴とする請求項1記載の圧電材料。
  3. 前記ペロブスカイト型複合酸化物の結晶系が、少なくとも単斜晶構造と正方晶構造を有する混在系であることを特徴とする請求項1記載の圧電材料。
  4. 前記圧電材料が基板上に設けられた厚み200nm以上10μm以下の膜であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか項に記載の圧電材料。
  5. 前記圧電材料が有機金属化合物化学的気相堆積法により形成された膜であることを特徴とする請求項4記載の圧電材料。
  6. 前記基板が(001)面または(111)面に選択的に配向した単結晶基板であることを特徴とする請求項4または5に記載の圧電材料。
  7. 前記yの範囲が0.17≦y≦0.44であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか項に記載の圧電材料。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電材料を用いた圧電素子。
  9. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電材料を用いた超音波振動子。
  10. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電材料を用いた圧電アクチュエータ。
  11. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電材料を用いた圧電センサ。
  12. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の圧電材料を用いた強誘電メモリ。
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