JP5679694B2 - 圧電材料 - Google Patents
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度(以下、キュリー温度と呼びTCと記す。)は、約140℃である。圧電アクチュエータ等の圧電材料を用いたデバイスにおいては、例えば−20℃程度から80℃程度までの温度領域で安定な圧電特性を維持する必要がある。従って、約140℃というBaTiO3のキュリー温度は、十分な温度とは言い難い。
以上を鑑みると、BaTiO3よりもTCの高い正方晶圧電材料を提供することが必要である。
また、本発明は、BaTiO3と同程度以上の圧電定数の値を有し、BaTiO3よりもキュリー温度が高い圧電材料を提供することである。
で表されるペロブスカイト型酸化物からなり、かつ下記数式(1)で表される寛容因子(tolerance factor)tが1.01<t≦1.15であることを特徴とする。
で表されるペロブスカイト型酸化物からなり、かつ下記数式(1)で表される寛容因子(tolerance factor)tが1.01<t≦1.15であることを特徴とする。
また、本発明は、BaTiO3と同程度以上の圧電定数の値を有し、BaTiO3よりもキュリー温度が高い圧電材料を提供することが出来る。
本発明に係る圧電材料は、下記一般式(1)
で表されるペロブスカイト型酸化物からなり、かつ下記数式(1)で表される寛容因子(tolerance factor)tが1.01<t≦1.15であることを特徴とする。
本発明の圧電材料は、0<x≦0.05、好ましくは0<x≦0.025で正方晶構造を有することが好ましい。
(実施例1)
実施例1として、一般式(1)において、正方晶Ba1−yAyTi1−xNixO3(0<x≦0.05)からなる圧電材料に関する実施形態を、図1及び図2に基づいて説明する。
第一原理計算とはフィッティングパラメータ等を一切使用しない電子状態計算手法の総称であり、単位格子や分子等を構成する各原子の原子番号と座標を入力するだけで、電子状態計算が可能な手法である。
Crystal Approximation:VCA)と呼ばれる手法により、比較的簡単に且つ高精度に求めることが出来る。このVCAは、複数の原子をある組成比で混合した仮想原子のポテンシャルを予め用意し電子状態計算を行う方法である。従って、VCAを用いた擬ポテンシャル法により電子状態計算を行えば、任意の組成比の原子を含む系の最安定構造での電子状態を計算することが可能となる。
計算結果は、全て「ABINIT」を用いて行った結果である。
(合成例1)
Ba0.75Sr0.25Ti0.975Ni0.025O3セラミックスの合成(A=Sr、M=Ni、x=0.025、y=0.25の例)
炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸ストロンチウム(SrCO3)、酸化チタン(TiO2)及び水酸化ニッケル(Ni(OH)2)を30:10:39:1のモル比で混合した後、微量のKClO4を酸化剤として添加する。酸性水溶液に加熱し、懸濁、溶解させた後、アルカリ処理により析出物をろ過、採取、乾燥し、Ba0.75Sr0.25Ti0.975Ni0.025O3を合成する。その後、ボールミルで粉砕、大気中1100℃で加熱処理を行い、さらに、加圧形成機で成形し、焼結処理を10時間、1250℃で焼結する。焼結体を研磨処理し、電極付けした後5kV/cmの電界強度で分極処理を行い、本実施例の圧電材料を得る。
Ba0.80Ca0.20Ti0.975Ni0.025O3薄膜の合成(A=Ca、M=Ni、x=0.025、y=0.20の例)
スパッタ装置による成膜の場合を示す。O2ガス及びArガスが流入しているチャンバー内に、Ba、Ca、Ti及びNiの金属ホルダーを用意し、それらのホルダー上にイオン源となるArビームを照射する。所望とする元素組成が得られるように成膜条件を設定し、Arビームにより叩き出された各金属をチャンバー内に備えた基板上に飛翔させることにより、目的とする圧電体膜を形成することが出来る。
寛容因子tの値は、上記数式(1)によって求めることができる。ここで、例えばBa1−ySryTi1−xNixO3の場合、Ba1−ySry及びTi1−xNixイオンのイオン半径rA’及びrM’は、下記数式(2)及び数式(3)のように、それぞれ組成比y及びxで平均化された値で定義する。
域が存在することが推測される。
次に、本実施例の具体例として、高圧合成及び薄膜による合成例を示す。
Ba0.75Sr0.25Ti0.25Ni0.75O3セラミックスの合成(A=Sr、M=Ni、x=0.75、y=0.25の例)
炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸ストロンチウム(SrCO3)、酸化チタン(TiO2)及び水酸化ニッケル(Ni(OH)2)を3:1:1:3のモル比で混合する。この混合粉をペレット化して常圧、900℃で仮焼することで脱炭酸を行う。ペレットの粉砕物を微量のKClO4を酸化剤として敷き詰めた白金カプセルに封入して、1200℃、6GPaの条件で焼結する。焼結体を研磨処理し、電極付けした後5kV/cmの電界強度で分極処理を行い、本実施例の圧電材料を得る。
Ba0.80Ca0.20Ti0.25Ni0.75O3薄膜の合成(A=Ca、M=Ni、x=0.75、y=0.20の例)
RFマグネトロンスパッタ装置による成膜の場合を示す。炭酸バリウム(BaCO3)、炭酸カルシウム(CaCO3)、酸化チタン(TiO2)及び水酸化ニッケル(Ni(OH)2)を16:4:5:15のモル比で混合した粉末を10MPaで一軸加圧した成型体をターゲットとして用意する。STO(100)単結晶基板上に(100)配向SROが成膜された基板を600℃に加熱し、O2とAr雰囲気中で前記成型体をターゲットとして基板上に成膜することにより、目的とする圧電体膜を形成することが出来る。
上記合成例3及び合成例4で表記した酸素数はすべて3と表記したが、焼成条件、成膜条件等により3.0未満になってもよい。しかしながら、酸素欠陥が多くなると、材料の抗電界が大きくなり、低電界での圧電性が発現しなくなる。そのため、本実施形態の酸素数は、2.9以上が望ましい。
Claims (5)
- 下記一般式(1)
(式中、Aはストロンチウム(Sr)及びカルシウム(Ca)のうち少なくとも1種類の元素、Niは原子価が4価であるニッケル(Ni)を示す。xは0<x≦0.05、yは0≦y≦1である。)
で表されるペロブスカイト型酸化物からなり、かつ下記数式(1)で表される寛容因子(tolerance factor)tが1.01<t≦1.15であることを特徴とする圧電材料。
(式中、A’はBa1−yAyを表し、M’はTi1−xNixを表す。rA’、rM’及びrOはそれぞれA’、M’及びOのイオン半径を表す。各構成元素のイオン半径はシャノン(Shannon)のイオン半径により定義され、Ba1−yAy及びTi1−xNixイオンのイオン半径は、それぞれ組成比y及びxで平均化された値で定義する。) - 前記圧電材料において、0<x≦0.05で正方晶構造を有することを特徴とする請求項1に記載の圧電材料。
- 前記圧電材料において、0.05<x<0.5に結晶相境界(MPB)を有することを特徴とする請求項1に記載の圧電材料。
- 下記一般式(1)
(式中、Aはストロンチウム(Sr)及びカルシウム(Ca)のうち少なくとも1種類の元素、Niは原子価が4価であるニッケル(Ni)を示す。xは0.5≦x<1、yは0≦y≦1である。)
で表されるペロブスカイト型酸化物からなり、かつ下記数式(1)で表される寛容因子(tolerance factor)tが1.01<t≦1.15であることを特徴とする圧電材料。
(式中、A’はBa1−yAyを表し、M’はTi1−xNixを表す。rA’、rM’及びrOはそれぞれA’、M’及びOのイオン半径を表す。各構成元素のイオン半径はシャノン(Shannon)のイオン半径により定義され、Ba1−yAy及びTi1−xNixイオンのイオン半径は、それぞれ組成比y及びxで平均化された値で定義する。) - 前記圧電材料において、0.5≦x<1で正方晶構造領域を有し、該正方晶構造の格子定数a及びc(但し、c>aである。)の比c/aの値が、1.022<c/a<1.15を満たす値であることを特徴とする請求項4に記載の圧電材料。
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