JP6702767B2 - 直方体状の単結晶の製造方法および直方体状の単結晶、セラミックス、圧電素子、電子機器 - Google Patents
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Description
組成が一般式(1):Bi2.5Nam−1.5NbmO3m+3(mは2以上の整数)で表現される複数の結晶から構成される粒子であって、前記粒子における前記mの平均値maが6よりも大きいニオブ酸ビスマスナトリウムと、ナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物との混合物1を1200℃以上1250℃以下で熱処理してペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムを含有する混合物2を得る工程と、前記混合物2から水溶性成分を除去する工程を有することを特徴とするニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶の製造方法である。
本発明におけるニオブ酸ナトリウムはペロブスカイト構造(CaTiO3構造)を有する。岩波理化学辞典 第5版(岩波書店 1998年2月20日発行)によれば、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物は一般にABO3の化学式で表現される。ペロブスカイト構造において、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格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位格子であれば、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立方体の面心位置を占める。Aサイト元素は12配位であり、Bサイト元素は6配位である。A元素、B元素、O元素がそれぞれ単位格子の対称位置から僅かに座標シフトすると、ペロブスカイト構造の単位格子が歪み、正方晶、菱面体晶、斜方晶といった結晶系となる。本発明におけるペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムの結晶系は斜方晶であることが好ましい。
本発明の直方体状の単結晶は、ペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を主成分とする。ここで主成分とは、直方体状の単結晶の構成相の中で、ニオブ酸ナトリウム相が50%より大きいこと、より好ましくは70%よりも大きいことを意味する。直方体状の単結晶でのニオブ酸ナトリウム相の割合は、例えば、直方体状の単結晶を粉砕して粉末エックス線回折測定を実施し、構成する結晶相の割合をリートベルト解析により求めることができる。また直方体状の単結晶の断面を透過電子顕微鏡で観察しても評価できる。低倍率(例えば1000倍)で観察される視野の電子線回折パターンを取得し、ペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムに起因する回折を選択して暗視野法で結像する。すると、ペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウム部分が明るく、ペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムではない部分は暗い暗視野像が得られる。視野内での明部面積が50%以上よりも大きければ、ペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムが直方体状の単結晶の主成分であると判断できる。
本発明のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶における「直方体状」の形状とは、1つの粒子に注目したとき、3辺の長さが等しい立方体状を含む平行六面体状の形状を意味している。その形状は面と面のなす角度が90°±10°の範囲にある。特に本発明では直方体状とはいわゆる板状を指していて、直方体の一部が欠損していたり、6つの面のいずれかに凹凸部を有していたりする形状も含む。本発明のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶の主面(最も面積の大きな表面)は平滑であり、1μmよりも大きなステップを伴うテラスをもたない。主面はニオブ酸ナトリウムの(110)面もしくは(001)面に平行である(ペロブスカイト構造を有するニオブ酸ナトリウムの指数はICDD73−0803に基づく)。そのため、平滑なガラス板上にニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を戴置し、エックス線回折測定(2θ−θスキャン)を実施すると、110回折もしくは004回折とその高次回折の強度が、その他の回折強度に比べて相対的に強くなる。直方体状の単結晶の形状の上での特徴は、直方体状の単結晶を走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡で観察することで判別できる。前記直方体状の単結晶は板状であるため、圧延法やドクターブレード法に代表されるテープキャスティングにより結晶配向を制御できる。
本発明のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶は、複数の単結晶粒子が凝集して構成される多結晶粒子ではない。ただし、本発明の直方体状の単結晶はビスマスもしくは酸化ビスマスの偏析および小角度粒界を内包する。また、立方晶相から低対称相(例えば正方晶相や斜方晶相)への相転移により発生するドメイン構造を内包していてもよい。本発明の直方体状の単結晶は高角度粒界を伴う多結晶体はほとんどない。本発明の直方体状の単結晶をテンプレート粒子として用いて配向圧電セラミックスを作成する際、複数の直方体状の単結晶からなる単結晶粉末を用いる。そのため、そのような直方体状の単結晶粉末を分析すると、寸法やアスペクト比、組成等は完全に均一ではなくある程度の幅(ばらつき)が発生することとなる。以下では、本発明のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶は、基板に接合しているエピタキシャル膜を含まないものとして説明する。
本実施形態の製造方法は、一般式(1):Bi2.5Nam−1.5NbmO3m+3(mは2以上の整数)で表現される複数の結晶から構成され、前記粒子における前記mの平均値maが6よりも大きいニオブ酸ビスマスナトリウムを用いる。好ましくはmは5以上8以下である。さらにこの化合物と、ナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物との混合物1を1200℃以上1250℃以下で熱処理してペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムを含有する混合物2を得る工程を備えている。その上で、前記混合物2から水溶性成分を除去する工程を備えている。
Bi2.5Na3.5Nb5O18=(Bi2O2)2+(Bi0.5Na3.5Nb5O16)2ーm=5
Bi2.5Na4.5Nb6O21=(Bi2O2)2+(Bi0.5Na4.5Nb6O19)2ーm=6
Bi2.5Na6.5Nb8O27=(Bi2O2)2+(Bi0.5Na6.5Nb8O25)2ーm=8
本実施形態では以下説明するような特徴的な中間体を使用する。
まず、ニオブの化合物、ナトリウムの化合物、ビスマスの化合物およびナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物の混合物を原料として、この原料を加熱し概ね1150℃〜1200℃まで昇温する。加熱した結果、ナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物が溶融し、その溶融状態になった塩の中で結晶が成長する(溶融塩法)。その結果、ニオブ酸ビスマスナトリウムとナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物との混合物1が得られる。
ニオブ酸ビスマスナトリウム原料とナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物の混合物を加熱するための容器には、各種坩堝を用いることができる。ニオブ酸ビスマスナトリウムの原料粉末と化学反応を起こすおそれの少ない材質の坩堝が好ましく、たとえば白金製の坩堝を用いることができる。安価なアルミナ製の坩堝を用いる場合、アルミナはビスマスを吸収するため、ニオブ酸ビスマスナトリウム原料中のビスマス量を坩堝壁の吸収量に応じて調整する必要がある。
ニオブ酸ビスマスナトリウムとナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物との混合物1を、1200℃以上1250℃以下で熱することでペロブスカイト構造を有するニオブ酸ナトリウムを含有する混合物2が得られる。
熱処理を終えたら冷却を行い、得られた混合物2から水溶性成分を除去する。具体的には混合物2の入った坩堝ごと水中に1〜3時間保持することで混合物2から水溶性成分を溶かし出す。水溶性成分を速やかに除去するため、水温は40℃以上で撹拌しておくことが好ましい。水溶性成分を除去するために、水を交換しては本工程を数回繰り返す(水洗)。
反応性テンプレート粒子法により配向セラミックスを作成する場合、形状異方性を有するテンプレート粒子と、テンプレート粒子よりも大きさが小さく、かつ形状異方性を有さないマトリックス粒子の混合物が作成される。この混合物と適当な可塑剤、バインダ、有機溶剤等を混合し、スラリーや粘土状の成形体を作成し、ドクターブレード法や圧延法によって成形体を作成する。テンプレート粒子は形状異方性を有するため、成形体の作成工程で被成形体に与えられるせん断力等によって成形体中で特定の方位に配向する。
本発明の直方体状の単結晶は、ニオブ酸ナトリウムとニオブ酸ナトリウム1モルに対して0.05モル以上0.15モル以下のビスマスを含有する。以後本発明においてニオブ酸ナトリウムのニオブ1モルに対するビスマスのモル比(ビスマス/ニオブ)をBi/Nb比と称する。直方体状の単結晶がビスマスを含有していると、ニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶をテンプレートとして用いて配向セラミックスを作成する際、ビスマスが助剤としてはたらき直方体状の単結晶を起点とする結晶成長が促される。より好ましいビスマスの含有量は0.05モル以上0.10モル以下である。
本実施形態のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶に関しては以下の特徴がある。すなわち、直方体の最長辺長(L max )と最短辺長(L min )のアスペクト比L max /L min の値が4.0≦L max /L min ≦8.5の範囲である。
セラミックスの配向度はロットゲーリングファクター(LGF)で定量評価することができる。ロットゲーリングファクターの算出法は、対象とする結晶面から回折されるエックス線のピーク強度を用いて、式1により計算する。
F=(ρ−ρ0)/(1−ρ0) (式1)
ρ0=ΣI0(00l)/ΣI0(hkl) (式2)
(h、k、lは整数である。)
ρ=ΣI(00l)/ΣI(hkl) (式3)
以下に本発明の配向圧電セラミックスを用いた圧電素子について説明する。
前記圧電素子は一定方向に分極軸が揃っているものであると、より好ましい。分極軸が一定方向に揃っていることで前記圧電素子の圧電定数は大きくなる。
比較のため二段階溶融塩法による板状ニオブ酸ナトリウムの合成について以下説明する。本比較例は上述の事項を踏まえると、一般式Bi2.5Nam−1.5NbmO3m+3(mは2以上の整数)で表現されるニオブ酸ビスマスナトリウムとして、m=5に相当するニオブ酸ビスマスナトリウムを使用する場合に相当する。
比較例1と同様であるが、今度はm=8の場合での二段階溶融塩法による板状ニオブ酸ナトリウムの合成について説明する。
従来の一段階溶融塩法により板状ニオブ酸ナトリウム粒子の作製を行った。本比較例はm=5の場合に相当する。
上述の比較例を踏まえ、以下では本実施形態にかかる実施例について順を追って説明する。
本実施例は平均値ma>6の場合に相当する。ニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を作成するにあたって、熱処理温度依存性を以下のように調べた。保持温度以外は実施例3と同様の手法でニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を作成した。1200℃から1235℃の範囲で保持温度を変化させても直方体状の単結晶を得ることができた。
実施例5〜8における保持温度より下げ、保持温度が1150℃とした。保持温度を実施例5〜8のサンプルに比べて下げたこと以外は実施例5〜8と同様の手法で直方体状の単結晶を作成した。得られた粒子はニオブ酸ビスマスナトリウムが主相であり、好ましくなかった。
本実施例は平均値ma>6の場合に相当する。
原料粉に対する塩化ナトリウムの重量を1.5倍、1.0倍、0.5倍とし、その他は実施例3と同様の手法でニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を作成した。原料粉末に対する塩の重量比が1.0、1.5倍でもあってもニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を得ることができたが、0.5倍の時(比較例5)はニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を得ることができなかった。
熱処理工程において生じるトポケミカル反応に対する反応時間について以下のように比較検討した。1225℃での保持時間を12時間(実施例12)、0時間(比較例6、室温から坩堝を加熱して1225℃に達したら直ちに冷却を開始)とし、その他は実施例3と同様の手法で直方体状の単結晶を作成した。1225℃での保持時間が12時間の実施例12では、実施例3同様にニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を得ることができた。一方で、保持時間が0時間の比較例6では、ペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムが主成分である直方体状の単結晶は得られなかった。
白金坩堝ではなく、アルミナ製坩堝(未使用)を用いることと、ナトリウム原料やニオブ原料に対するビスマス原料のモル比が大きい以外は実施例3と同様の手法で直方体状の単結晶を作成した。ビスマスを吸収する性質があるアルミナに坩堝の材質を変更しても、出発原料中のビスマス量を多めに調整すればニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶をえることができた。
本実施例はm=8、平均値ma>6の場合に相当する。
熱処理温度以外は実施例17と同様の手法で直方体状の単結晶を作成した。1235℃から1250℃の範囲で保持温度を変化させても直方体状の単結晶を得ることができた。しかし、熱処理温度が1260℃である比較例7では、坩堝内には焼結体が残留しており、水溶成分の除去作業を行った後も直方体状の単結晶は得られなかった。
(比較例8)比較例1で得られた板状粒子をテンプレート粒子として用いて88NaNbO3−12BaTiO3の配向セラミックスを作成した。配向セラミックスは圧延法にて作成した。始めに、ポリビニルブチラール17.5重量%、キシレン46.5重量%、1−ブタノール31重量%、フタル酸ジブチル2.5重量%、流動パラフィン2.5重量%を混合してバインダ溶液を作成した。原料粉末にはマトリックス粒子として粒径約100nmのNaNbO3とBaTiO3粉末を用い、焼結助剤として粒径1〜5μmのCuO粉末を加えた。テンプレート粒子とマトリックス粒子の合計重量の5%をテンプレート粒子とした。マトリックス粒子であるNaNbO3とBaTiO3のモル比は0.83:0.12であり、マトリックス粒子にテンプレート粒子を加えると、NaNbO3とBaTiO3のモル比が0.88:0.12になるように秤量した。CuOはNaNbO3とBaTiO3の合計モル数1に対して0.0075モルとした。原料粉末にバインダ溶液、およびキシレン−ブタノールの混合溶液を加えて撹拌してスラリー状とし、適度に溶媒を蒸発させてスラリーを粘土状にした。得られた粘土状試料を圧延することにより成形体を作成した。圧延法は、平行なギャップを有する二つのローラー間を粘土状試料を追加させて実施した。ローラーの間隔は3mmから初め、ローラー間隔が1mmに至るまで、徐々に間隔を狭めては圧延を実施した。得られた成形体は乾燥室の中で最大90℃になるまで一週間かけて徐々に温度を上げ、成形体が含んでいた揮発成分を除去した。その後80℃でWIP処理を施し、適当な形状に切断したのちに電気炉内で焼成した。
比較例8と同じ手法で88NaNbO3−12BaTiO3の配向セラミックスを作成した。ただし、テンプレート粒子には比較例3で得られた板状粒子を用いた。焼結体のロットゲーリングファクターを評価したところ、60%よりも小さかった。また組成分析の結果、ニオブに対してナトリウムが2%よりも多く欠損していた。
実施例3もしくは実施例17により得られた直方体状の単結晶を用い、比較例9と同じ手法で88NaNbO3−12BaTiO3(実施例22〜26、30、31)、90NaNbO3−10BaTiO3(実施例27、28、32)、91NaNbO3−9BaTiO3(実施例29)のセラミックスを作成した。ただし、テンプレート粒子とマトリックス粒子の割合、添加物の種類と濃度が異なる。添加物にMnを加える場合は、原料粉末にMn3O4粉末を用いた。作成条件と得られた配向セラミックスの組成、ロットゲーリングファクターを表4にまとめる。本発明の板状粒子を用いることで、得られた配向セラミックスのロットゲーリングファクターは70%よりも大きくなり、またニオブに対するナトリウムの欠損も2%よりも小さくなった。尚、組成分析は、焼結体の表裏をそれぞれ約200ミクロン研削した後に、波長分散型蛍光X線により評価した。
一般式(1)((NaxBa1−y)(NbyTi1−y)O3
(式中、0.87≦x≦0.90、0.88≦y≦0.91、0.98≦x/y≦1.0)
前記、ロットゲーリングファクターが80%よりも大きな88NaNbO 3 −12BaTiO 3 配向セラミックスの表裏両面を研磨した後、表裏両面にDCスパッタリング法により厚さ400nmの金電極を形成した。なお、電極と圧電材料の間には、密着層として厚さ30nmのチタンからなる層を成膜した。この電極付きの圧電材料を切断加工し、10mm×2.5mm×0.5mmの短冊状の素子を作製した。
Claims (13)
- ペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶であって、前記直方体状の単結晶が前記ニオブ酸ナトリウム1モルに対して0.05モル以上0.15モル以下のビスマスを含有しており、前記直方体状の単結晶のNa/Nb比が0.82以上1.00以下であり、前記直方体の最長辺長(Lmax)と最短辺長(Lmin)の比Lmax/Lminが4.0≦Lmax/Lmin≦8.5の範囲であることを特徴とするニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶。
- 前記Lmaxが9.4μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶。
- 請求項1又は2に記載のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶を含む成形体を焼成して得られたセラミックス。
- 請求項3に記載のセラミックスは、(110)面もしくは(001)面に配向していることを特徴とするセラミックス。
- 第一の電極、圧電材料部および第二の電極を有する圧電素子であって、前記圧電材料部を構成する圧電材料が請求項4に記載のセラミックスである圧電素子。
- 請求項5に記載の圧電素子を備え、かつ、該圧電素子への電圧印加手段および前記圧電素子からの電力取出手段の少なくとも一方を有する圧電装置。
- 請求項5に記載の圧電素子を備えた電子機器。
- ペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶の製造方法であって、
組成が一般式(1):Bi2.5Nam−1.5Nb m O3m+3(mは2以上の整数)で表現される複数の結晶から構成される粒子であって、前記粒子における前記mの平均値m a が6よりも大きいニオブ酸ビスマスナトリウムと、ナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物との混合物1を1200℃以上1250℃以下で熱処理してペロブスカイト構造のニオブ酸ナトリウムを含有する混合物2を得る工程と、
前記混合物2から水溶性成分を除去する工程、
を有することを特徴とするニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶の製造方法。 - 前記混合物1における、前記ニオブ酸ビスマスナトリウムに対する前記ナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物の重量が1.0倍以上であって10倍以下であることを特徴とする請求項8に記載のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶の製造方法。
- 前記mは、ビスマス層状構造である前記ニオブ酸ビスマスナトリウムにおけるc軸方向の酸素八面体の層数であることを特徴とする請求項8又は9に記載のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶の製造方法。
- 前記平均値m a が6.4以上であり8.0以下であることを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶の製造方法。
- 前記ナトリウム含有アルカリ金属ハロゲン化物とは塩化ナトリウムであることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項に記載のニオブ酸ナトリウムを主成分とする直方体状の単結晶の製造方法。
- 請求項8乃至12のいずれか1項に記載の直方体状の単結晶の製造方法によって直方体状の単結晶を得る工程と、該直方体状の単結晶を使用して成形体を得る工程と、該成形体を焼成してセラミックスを得る工程とを有するセラミックスの製造方法。
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