JPH11116395A - 複合チタン酸化物用前駆体粒子 - Google Patents
複合チタン酸化物用前駆体粒子Info
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Abstract
PZT粒子あるいは微細なPZT針状粒子と、各種基板
上に低温で容易に形成された表面粗度が小さいPZT薄
膜と、さらにこれらを作成するのに有効な前駆体粒子を
提供することを目的とする。 【解決手段】Pb含有原料化合物が50mol/l〜5
00mmol/l、Zr含有原料化合物が0mmol/
l〜500mmol/lおよびTi含有原料化合物が
0.002mmol/l〜500mmol/lの条件で
アルカリ水溶液中反応させることによって得られるPZ
T前駆体粒子をアルカリ処理あるいは熱処理することに
より、低温焼結可能な微細なPZT粒子を得る。また、
基板の存在下、アルカリ水溶液中熱処理することによ
り、表面状態のよいPZT薄膜を得る。
Description
で反応させることによって得られるPb、Zr、Tiあ
るいはPb、Tiを含有する粒子とそれから得られるP
b(ZrxTi1−x)O3(ただし、0≦x<1)微
粒子あるいはPb(ZrxTi1−x)O3(ただし、
0≦x<1)薄膜に関するものである。
す。)は、圧電体材料、焦電体材料、強誘電体材料とし
て優れた性質を有し、超音波センサ、焦電型赤外セン
サ、不揮発性メモリー、コンデンサー、アクチュエータ
等の種々のデバイスに幅広く利用されており、更に多く
の分野へ応用が試みられている。
PZT粒子を焼結し、焼結体を素子化する方法と、PZ
T薄膜を形成し素子化する方法とが一般的である。
rO2およびPbOを混合後焼成する固相法により製造
される。各種圧電素子に利用される焼結体は、これらの
得られたPZT粒子をさらに焼結することにより得られ
る。
粒子は、粒径が大きいため、焼結し難く、1200℃以
上の高い焼結温度条件が必要であり、また、含有成分の
Pbが高温では飛散してしまい、組成がずれるという問
題がある。
決できるが、そのためには、焼結原料となるPZT粉末
の粒径を小さくすることが望まれる。
セラミックス協会学術論文誌 98[2]150−55
(1990)に、水熱合成法でPZT粒子を合成してい
る。ここでは、反応温度が高いほど粒径が小さくなる傾
向があるという記載があり、160℃〜200℃の温度
条件で1μm〜3μmの粒子を得ているが、粒径は大き
く、まだ満足すべきものでない。さらに温度を上げると
高圧になるため、製造が困難となる。
化合物を用いるゾル−ゲル法があるが、原料が高価であ
る上、生成物の純度が低い。
め、セラミックスの内部の結晶粒子の配向性を高めるこ
とが行われている。この手段としては、焼結原料に、異
方性のあるPZT結晶粒子が用いられる。異方性のある
PZT結晶粒子は、通常、TiO2とZrO2およびフ
ラックス(KCl,NaCl、K2SO4あるいはNa
2SO4)を乾式混合後焼成し、針状ZrTiO4を得
て、これとPbO混合後、仮焼して針状PZTが製造さ
れる(例;昭和63年窯業協会年会講演予稿集、348
(1988))。しかしながら、この方法では、低温焼
結できるような微細な針状粒子を得ることが困難であ
る。
は、主としてスパッタリング法に代表される物理吸着法
(PVD法)、薄膜材料である有機金属気体の熱分解、
酸化、還元、重合等により薄膜組成を基板上に沈着させ
て薄膜を形成する化学蒸着法(CVD法)、有機金属を
基板に塗布し、これを焼成して酸化物膜を形成するゾル
・ゲル法、原料を含むアルカリ水溶液中でTi基板を水
熱処理する水熱法等の方法が用いられている。
れ改善すべき課題があった。
結晶質の膜を得るために、基板などの基材の温度を50
0℃以上にすることが必要であり、基材を冷却する工程
で熱歪が蓄積され、形成されたPZT膜にクラックや剥
離が生じやすいという問題点がある。また、蒸着物質の
蒸発は低酸素分圧下で行われるため、生成したPZTは
酸素欠陥を有することが多く、特性の劣化やバラツキが
生じるという問題点がある。
を形成する場合には、元素によって蒸着速度が異なるた
め、膜の組成を制御して目標とする組成の複合酸化物を
得ることが困難であるという問題点がある。また、膜の
成長速度が遅いということもこの方法の重大な欠点であ
る。
蒸着温度が比較的高く、大がかりな設備が必要になると
いう問題点があり、また、上記の物理蒸着法の場合と同
様に、膜の組成を制御することが困難で、目標とする組
成の膜を形成することが容易ではないという問題点があ
る。さらに、原料である有機金属化合物が極めて高価で
あるという欠点がある。
塗布された有機金属を酸化して酸化物膜を形成するのに
500℃以上の高温で焼成を行うことが必要であり、乾
燥及び焼成の工程で塗布膜に大きな収縮が生じ、形成さ
れる膜にクラックや剥離が生じやすいという問題点があ
る。また、焼成工程中の有機物質の蒸発や燃焼によっ
て、ポーラスになり、緻密な膜を得ることが、困難であ
るという問題点がある。
した膜の表面粗度は大きいという問題点がある。
の上記の通りの事情に鑑みてなされたものであり、PZ
T粒子の上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、組成変化の起こりにくい低温焼結が可能な微細な
PZT粒子あるいは微細な針状粒子を提供することを目
的とする。さらに、本発明は、従来のPZT薄膜の形成
方法の欠点を解消し、低温で、容易に各種基板上に形成
できる表面粗さの小さいPZT薄膜を提供することを目
的とする。
の起こりにくい低温焼結可能な微細粉末の製造法および
良質のPZT薄膜の製造方法について鋭意研究を重ねた
結果、水熱合成の原料を工夫することにより、上記目的
を達成できることを見出し、本発明をなすに至った。
が50mmol/l〜500mmol/l、Zr含有原
料化合物が0mmol/l〜500mmol/lおよび
Ti含有原料化合物が0.002mmol/l〜500
mmol/lの条件でアルカリ水溶液中0℃〜100℃
の温度範囲内で反応させることにより得られるPb、Z
rおよびTi、またはPbおよびTiを含有する粒子に
関する。
水熱合成することにより得られるPb(ZrxTi
1−x)O3(ただし、0≦x<1)微粒子に関する。
て水熱合成することにより基板上に形成するPb(Zr
xTi1−x)O3(ただし、0≦x<1)薄膜に関す
る。
b、Zr、TiまたはPb、Tiを含有する粒子(以
下、前駆体粒子という。)は、以下の方法により得られ
る。
66mmol/l、Pb含有原料化合物が50mmol
/l〜500mmol/l、Zr含有原料化合物が0m
mol/l〜500mmol/lおよびTi含有原料化
合物が0.002mmol/l〜500mmol/lに
なるように調整された混合溶液を攪拌混合する。
を先に反応させ、後でPb含有原料化合物を添加し、反
応させることも可能である。
iを含有する原料化合物としては、塩化物、オキシ塩化
物、水酸化物、酸化物が好ましい。使用されるアルカリ
化合物としては、例えば、KOH,NaOH等のアルカ
リ金属の水酸化物をあげることができる。
ない100℃以下が好ましい。また、室温で反応させる
こともできるので、その場合、加熱のための装置を必要
としないという利点がある。反応時間は、反応温度によ
り変わるが、25℃では、24時間程度で前駆体粒子が
得られる。高温で反応させると本発明の前駆体粒子でと
どまらず、粒径の大きいPZT粒子が形成される。低温
では、反応が遅くなるので、0℃以下は好ましくない。
晶質粒子であるが、結晶質粒子を含むものもあり、ま
た、数百nm以下の微粒子あるいは針状粒子から構成さ
れている。個々の粒子の成分は特定できないが、粒子の
集合体は、Pb、Zr、Ti、OおよびH、またはP
b、Ti、OおよびHを含んでおり、Pb、Zr、Ti
は、Pb(ZrxTi1−x)O3(ただし、0≦x<
1)を構成するのに必要な割合で含まれる。
ルカリ成分とそれらの量は上記と同様であるが、まず、
Pb含有原料化合物以外の成分を20℃〜60℃で10
時間〜48時間反応させ、後でPb含有原料化合物を添
加し、同じ温度で48時間程度反応させる。Pb含有原
料化合物添加前の反応時間が長ければ、より大きい針状
粒子が得られる。
温焼結可能なPZT微細粉末について説明する。
カリ水溶液中、130℃〜250℃の温度で加熱処理す
ることにより得られる。あるいは、前駆体粒子を合成し
た溶液から前駆体を取り出さず、そのまま、PZT粒子
合成に利用してもよい。その場合、必要に応じて、アル
カリ化合物を追加することもある。
物としては、例えば、KOH,NaOH等のアルカリ金
属の水酸化物をあげることができる。合成時のアルカリ
の濃度は、0.1mol/l〜8.0mol/lの範囲
が好ましく、濃度が薄いと反応が進まず、濃度が高いと
アルカリ化合物が無駄となる。
反応速度が遅く、温度が高い場合は、反応圧力が高くな
るため装置がコスト高になる。
/g以上、粒子径0.05μm以下の非常に微細なPZ
T結晶粒子である。
程度で熱処理することによっても得ることができる。こ
の場合は、比表面積5m2/g程度、粒子径0.1μm
程度の粒子である。
T針状結晶粒子は、比表面積が2m2/g以上、長手方
向が数十μm以下の結晶粒子である。
さい緻密なPZT薄膜について説明する。
ZT前駆体粒子をアルカリ水溶液中に分散させ、基板を
浸漬後、100℃〜200℃の温度で水熱処理すること
で得られる。あるいは、前駆体粒子を合成した反応溶液
から前駆体粒子を取り出さず、そのまま、薄膜合成に利
用することができる。その場合、アルカリ化合物を必要
に応じて追加することがある。
ては、例えば、KOH,NaOH等のアルカリ金属の水
酸化物をあげることができる。薄膜合成時のアルカリの
濃度は、0.1mol/l〜8.0mol/lの範囲が
好ましく、濃度が薄いと反応が進まず、濃度が高いとア
ルカリ化合物が無駄となる。
いが、TiあるいはNi金属の他に、結晶核形成時に基
板と溶液中の金属イオンとの反応による結晶膜と基板と
の密着力を大きくするために結晶膜の構成元素を少なく
とも1つ以上含有するような基板が好ましい。また、結
晶膜を構成する元素でコーティングした基板を使用する
こともできる。
度が遅く、実用性に欠け、200℃を超えると、膜の成
長よりPZT粒子の形成が優先するので好ましくない。
合に使用される電極としては、特に限定されないがコス
トや量産性を考慮し最適なものが選定される。例えば、
スパッタリング法によるNi,無電解メッキ法によるN
i,焼付けタイプのAgがある。その他、蒸着によるA
l、スパッタリング法によるptあるいはAu等も用い
られる。なお、基板に樹脂を用いる場合には、高温に加
熱できないので焼付けタイプのAg電極は好ましくな
い。
する実施例を実施例1〜4に示す。また、PZT薄膜の
合成の具体例を実施例5と6に示す。
2水溶液30.8mmol/l、TiCl4水溶液3
0.8mmol/lおよびKOH水溶液1388.8m
mol/lの溶液(溶液合計量700ml、充填率70
%)を25℃で24時間程度撹拌混合することで図1に
示すようなPb、Zr、Ti、OおよびHを全て含む数
nm以下の前駆体粒子Aを形成した。このようにして得
られた前駆体粒子Aの電子線回折パターンは図2に示す
ように非晶質であった。またこの前駆体粒子Aは図3の
Tg−DTA分析の結果に示したように、400℃以下
で反応は完了し、高純度の酸化物を形成できた。次にこ
の前駆体粒子をKOH水溶液1388.8mmol/l
の溶液中で180℃、4時間水熱処理することで比表面
積が10.0m2/gで平均粒径が0.05μmの、図
4のX線回折パターンを示すPZT単相の結晶粒子を得
た。また、前駆体粉末を取り出す前の前駆体粉末合成の
溶液を、そのまま、180℃、4時間水熱処理すること
によっても、上記と同様なPZT粉末が得られた。
2水溶液40.4mmol/l、TiCl4水溶液2
0.2mmol/lおよびKOH水溶液1379.2m
mol/lの溶液(溶液合計量700ml、充填率70
%)を室温で72時間以上撹拌混合することで図5に示
すようなPb、Zr、Ti、OおよびHを全て含む数n
m以下の前駆体粒子Bを形成した。このようにして得ら
れた前駆体粒子Bの電子線回折パターンは図6に示すよ
うに結晶質であった。またこの前駆体粒子Bは図7のT
g−DTA分析の結果に示したように、低温で、高純度
の酸化物を形成できた。次にこの前駆体粒子Bを大気雰
囲気中800℃、5時間熱処理をすることで比表面積が
5.0m2/gで粒径が0.1μm程度の、図8のX線
回折パターンを示すPZT単相の結晶粒子を得た。
水溶液40.4mmol/lおよびKOH水溶液139
2.8mmol/lの溶液(溶液合計量400ml、充
填率70%)を25℃で10時間撹拌混合後、Pb(N
O3)2水溶液77mmol/lを加えて、室温で更に
48時間撹拌混合することで図9に示すようなPb、Z
r、Ti、OおよびHを全て含む平均粒径0.1μm以
下の前駆体針状粒子Cを形成した。このようにして得ら
れた前駆体粒子Cの電子線回折パターンは図10に示す
ように非晶質であった。またこの前駆体粒子Cを130
℃、3時間水熱処理することで比表面積が2.0m2/
gで平均長さが5μm程度の、図11のX線回折パター
ンを示すPZT単相の針状結晶粒子を得た。
/cm2で直径20mmのペレットに成型した。それを
PbO雰囲気中、900℃で12時間焼成した。焼結体
の相対密度は、95%であった。一方、固相法で同条件
で焼成した焼結体の密度は、80%であり、本発明の前
駆体粒子から得られたPZT微粒子を使用すると低温焼
結できることがわかる。
2水溶液30.8mmol/l、TiCl4水溶液3
0.8mmol/lおよびKOH水溶液1388.8m
mol/lの溶液(溶液合計量700ml、充填率70
%)を室温で24時間撹拌混合することでPZTの前駆
体粒子を形成した。
8.8mmol/lの溶液中に分散させ、Ti基板を浸
漬後、130℃、12時間水熱処理することで厚さ2μ
mのPZT薄膜を得た。
パターンを示す。
M写真を示す。
を示す。縦軸は表面の粗さを示し、横軸は試料の測定長
さを示す。前駆体を経由せず直接水熱合成で作製された
図15に示した薄膜の表面粗さに比べ、前駆体を原料に
形成された薄膜は表面状態が改善されていることがわか
る。
で直接膜を作製した。Pb(NO3)2水溶液106.
67mmol/l、ZrOCl2水溶液53.33mm
ol/l、TiCl4水溶液0.53mmol/lおよ
びKOH水溶液2000.0mmol/lの溶液(溶液
合計量700ml、充填率70%)の中部に、Ti基板
を設置し、格別の攪拌操作なしに180℃で12時間水
熱処理を行い基板面に対してPZTの薄膜を形成した。
この時のPZT薄膜の表面粗さを図15に示す。
水溶液40.4mmol/lおよびKOH水溶液139
2.8mol/lの溶液(溶液合計量400ml、充填
率70%)を室温で10時間以上撹拌混合後、Pb(N
O3)2水溶液77mmol/lを加えて、室温で更に
48時間撹拌混合することでPb、Zr、Ti、Oおよ
びHを全て含む数十nm以下の前駆体針状粒子を形成し
た。
8.8mmol/lの溶液中に分散させ、1μm厚さの
PZT薄膜をゾルーゲル法で形成したSi基板を浸漬
後、130℃、12時間水熱処理することで厚さ2μm
のPZT薄膜を得た。また、前駆体粉末を取り出す前の
前駆体合成の反応溶液をそのまま使い、1μm厚さのP
ZT薄膜をゾルーゲル法で形成したSi基板を浸漬後、
130℃、12時間水熱処理することでも同様なPZT
薄膜を得た。
パターンを示す。
M写真を示す。
を示す。前駆体を経由せず直接水熱合成で作製された図
15に示した薄膜の表面粗さに比べ、前駆体を原料に形
成された薄膜は表面状態が改善されていることがわか
る。
原料として用いることにより、低温焼結可能で、組成変
化の小さい焼結が可能な粒径の小さいPZT粉末を容易
に得ることができる。また、PZT前駆体粒子を含むア
ルカリ性原料液中に各種基板を浸漬し、水熱処理を施す
ことにより、100〜200℃の低温で、均一で表面粗
度が小さいPZT薄膜を容易かつ確実に形成することが
できる。
示す図面に代わる写真図である。
ンを示す図面に代わるX線写真で図である。
Aパターンを示す図である。
液中で水熱処理することで生成した生成物のXRD(粉
末X線回折)パターンを示す図である。
示す図面に代わる写真図である。
ンを示す図面に代わるX線写真図である。
Aパターンを示す図である。
液中で水熱処理することで生成した生成物のXRD(粉
末X線回折)パターンを示す図である。
示す図面に代わる写真図である。
ーンを示す図面に代わるX線写真図である。
溶液中で水熱処理することで生成した生成物のXRD
(粉末X線回折)パターンを示す図である。
示すXRDパターン図である。
図面に代わるSEM写真図である。
示す図である。
り直接形成されたPZT薄膜の表面粗さを示す比較のた
めの図である。
示すXRDパターン図である。
図面に代わるSEM写真図である。
示す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】Pb含有原料化合物が50mmol/l〜
500mmol/l、Zr含有原料化合物が0mmol
/l〜500mmol/lおよびTi含有原料化合物が
0.002mmol/l〜500mmol/lの条件で
アルカリ水溶液中0℃〜100℃の温度範囲内で反応さ
せることにより得られるPb、ZrおよびTi、または
PbおよびTiを含有する粒子。 - 【請求項2】請求項1に記載の粒子を原料として水熱合
成することにより得られるPb(ZrxTi1−x)O
3(ただし、0≦x<1)微粒子。 - 【請求項3】請求項1に記載の粒子を原料として水熱合
成することにより基板上に形成するPb(ZrxTi
1−x)O3(ただし、0≦x<1)薄膜。
Priority Applications (1)
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JP32187297A JP3937538B2 (ja) | 1997-10-20 | 1997-10-20 | Pzt微粒子およびpzt薄膜の製造方法 |
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JP2012096962A (ja) * | 2010-11-02 | 2012-05-24 | Ngk Insulators Ltd | 鉛系圧電材料及びその製造方法 |
WO2020004644A1 (ja) * | 2018-06-29 | 2020-01-02 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | ナノ結晶及びその製造方法、並びにナノ結晶を用いた電子デバイス及び圧電素子 |
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1997
- 1997-10-20 JP JP32187297A patent/JP3937538B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPWO2020004644A1 (ja) * | 2018-06-29 | 2021-06-24 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | ナノ結晶及びその製造方法、並びにナノ結晶を用いた電子デバイス及び圧電素子 |
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