JPWO2020004670A1 - Dielectric materials showing polarization twist, dielectric structures that can control polarization, capacitors and piezoelectric elements using them, and ceramics, and capacitors and piezoelectric elements using them. - Google Patents

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Abstract

【課題】分極ツイストを示す誘電体材料、分極を制御可能な誘電体構造体、並びにこれを使用したキャパシタ及び圧電素子、並びにセラミックス、並びにこれを使用したキャパシタ及び圧電素子を提供する。【解決手段】立方晶または疑似立方晶の各頂点のAサイトに配置された金属が欠落したAサイト空孔により導入されるアニオンXサイトの空孔の濃度が1%以下であり、上記立方晶または疑似立方晶の結晶軸に対して、ペロブスカイト構造に存在するアニオンの八面体が角度ωをもって回転して配列するとともに、電場の印加により上記角度ωと分極値との両方がともに変化する、分極ツイストを示す誘電体材料である。また、一般式(A1(1−x+δ)/2A2(1−x−3δ)/2A3x□δ)BO3で示されるセラミックスは、Aサイト空孔の量δとA3の量xとの組合せを調整し、セラミックスの性質を制御することができる。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a dielectric material exhibiting a polarization twist, a dielectric structure capable of controlling polarization, a capacitor and a piezoelectric element using the same, ceramics, and a capacitor and a piezoelectric element using the same. SOLUTION: The concentration of the pores of the anion X site introduced by the A site pores lacking the metal arranged at the A site of each apex of the cubic crystal or the pseudo cubic crystal is 1% or less, and the cubic crystal is described above. Alternatively, the octahedrons of the anions existing in the perovskite structure are rotated and arranged with respect to the crystal axis of the pseudo-cubic crystal with an angle ω, and both the angle ω and the polarization value change due to the application of an electric field. It is a dielectric material that exhibits twist. Further, for the ceramics represented by the general formula (A1 (1-x + δ) / 2A2 (1-x-3δ) / 2A3x □ δ) BO3, the combination of the amount δ of the A-site pores and the amount x of A3 is adjusted. , The properties of ceramics can be controlled. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、分極ツイストを示す誘電体材料、分極を制御可能な誘電体構造体、並びにこれを使用したキャパシタ及び圧電素子、並びにセラミックス、並びにこれを使用したキャパシタ及び圧電素子に関する。 The present invention relates to a dielectric material exhibiting a polarization twist, a dielectric structure capable of controlling polarization, a capacitor and a piezoelectric element using the same, and ceramics, and a capacitor and a piezoelectric element using the same.

誘電体材料は、電子機器の絶縁材料、キャパシタの電極間挿入材料、圧電素子等多くの用途に使用されている。特に、キャパシタや圧電素子に使用する場合には、誘電率や圧電歪み定数等が制御可能な誘電体材料が求められている。 Dielectric materials are used in many applications such as insulating materials for electronic devices, inter-electrode insertion materials for capacitors, and piezoelectric elements. In particular, when used for a capacitor or a piezoelectric element, a dielectric material whose dielectric constant, piezoelectric strain constant, etc. can be controlled is required.

例えば、下記特許文献1には、強誘電体の電界誘起相転移および臨界点近傍での誘電チューナビリティーを利用したチューナブルキャパシタが開示されている。 For example, Patent Document 1 below discloses a tunable capacitor that utilizes an electric field-induced phase transition of a ferroelectric substance and dielectric tunability in the vicinity of a critical point.

また、本発明者らは、非特許文献1に示すとおり、酸素8面体等の配位多面体をもつ単位格子から構成されるペロブスカイト構造の誘電体結晶の一部が分極ツイストを示し、誘電体の分極と関係していることおよび電圧により分極を制御可能であることを見いだした。 Further, as shown in Non-Patent Document 1, the present inventors show a polarization twist in a part of a dielectric crystal having a perovskite structure composed of a unit cell having a coordination polyhedron such as an oxygen octahedron. We found that it is related to polarization and that polarization can be controlled by voltage.

特開2014−36022号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-36022

Scientific Reports volume 6, Article number: 32216 (2016)doi:10.1038/srep32216Scientific Reports volume 6, Article number: 32216 (2016) doi: 10.1038 / srep32216

しかし、上記従来の技術においては、誘電率の値が十分に大きくはないこと、加えて誘電率の制御範囲が十分に大きくないという問題があった。また、圧電歪み定数を電圧により制御することについては言及がなかった。さらに、誘電体材料(セラミックス)の分極特性に関する性質を制御することについても言及がなかった。 However, in the above-mentioned conventional technique, there are problems that the value of the dielectric constant is not sufficiently large and that the control range of the dielectric constant is not sufficiently large. In addition, there was no mention of controlling the piezoelectric strain constant by voltage. Furthermore, there was no mention of controlling the properties related to the polarization characteristics of the dielectric material (ceramics).

本発明の目的は、分極を電圧で制御することを介して、印加する電圧によって誘電率や圧電歪み定数を大きく変更可能な分極ツイストを示す誘電体材料、分極を制御可能な誘電体構造体、並びにこれを使用したキャパシタ及び圧電素子、並びに分極特性を制御可能なセラミックス並びにこれを使用したキャパシタ及び圧電素子を提供することにある。 An object of the present invention is a dielectric material exhibiting a polarization twist in which the dielectric constant and the piezoelectric strain constant can be significantly changed by an applied voltage through controlling the polarization by a voltage, a dielectric structure in which the polarization can be controlled, and the like. Another object of the present invention is to provide a capacitor and a piezoelectric element using the same, a ceramic having controllable polarization characteristics, and a capacitor and a piezoelectric element using the same.

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、分極ツイストを示す誘電体材料であって、ペロブスカイト型構造ABXをもつ立方晶または疑似立方晶の各頂点のAサイトに配置された金属が欠落したAサイト空孔により導入されるアニオンXサイトの空孔の濃度が1%以下であり、前記立方晶または疑似立方晶の結晶軸に対して、ペロブスカイト構造に存在するアニオンの八面体が角度ωをもって回転して配列するとともに、電場の印加により前記角度ωと分極値との両方がともに変化することを特徴とする。In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention is a dielectric material exhibiting a polarization twist and is arranged at the A site of each vertex of a cubic or pseudo-cubic crystal having a perovskite structure ABX 3. An octahedron of anions present in the perovskite structure with respect to the crystal axis of the cubic or pseudo-cubic crystal, in which the concentration of the pores of the anion X site introduced by the metal-deficient A-site pores is 1% or less. Are rotated and arranged with an angle ω, and both the angle ω and the polarization value change due to the application of an electric field.

上記誘電体材料は、常誘電体、フェリ誘電体、強誘電体、反強誘電体のいずれかであるのが好適である。 The dielectric material is preferably any of a normal dielectric, a ferrielectric, a ferroelectric, and an antiferroelectric.

また、上記八面体が、6個の酸素原子で構成された八面体であり、Aサイト空孔により導入される酸素空孔の濃度(酸素空孔数/酸素サイト数)が1%以下であるのが好適である。ここで、酸素サイトは酸化物イオン(O2−)のサイトを示す。Further, the octahedron is an octahedron composed of 6 oxygen atoms, and the concentration of oxygen vacancies introduced by the A site vacancies (number of oxygen vacancies / number of oxygen sites) is 1% or less. Is preferable. Here, the oxygen site indicates the site of oxide ion (O 2- ).

また、本発明の他の実施形態は、分極を制御可能な誘電体構造体であって、上記いずれかの分極ツイストを示す誘電体材料と、前記誘電体材料に電場を作用させ、前記角度ωを変化させて分極を制御する部材と、を備えることを特徴とする。 Further, another embodiment of the present invention is a dielectric structure whose polarization can be controlled, wherein a dielectric material exhibiting any of the above polarization twists and an electric field are applied to the dielectric material to cause the angle ω. It is characterized by including a member for controlling polarization by changing the above.

また、本発明のさらに他の実施形態は、上記分極を制御可能な誘電体構造体を使用したキャパシタまたは圧電素子であることを特徴とする。 Further, yet another embodiment of the present invention is characterized by being a capacitor or a piezoelectric element using the dielectric structure capable of controlling the polarization.

また、本発明のさらに他の実施形態は、下記一般式(4)で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されたセラミックスであって、
(A1(1−x+δ)/2A2(1−x−3δ)/2A3δ)BO・・・(4)
前記A1は三価の金属であり、A2は一価の金属であり、A3は二価の金属であり、Bは四価の金属であり、□はAサイト空孔を表し、前記Aサイト空孔の量δが0〜3%であり、前記のA3量xが2〜25%であることを特徴とする。
Further, still another embodiment of the present invention is a ceramic composed of a perovskite-type oxide represented by the following general formula (4).
(A1 (1-x + δ) / 2 A2 (1-x-3δ) / 2 A3 xδ ) BO 3 ... (4)
A1 is a trivalent metal, A2 is a monovalent metal, A3 is a divalent metal, B is a tetravalent metal, □ represents A site vacancies, and the A site empty. The pore amount δ is 0 to 3%, and the A3 amount x is 2 to 25%.

また、上記ペロブスカイト型酸化物は、さらに金属酸化物Mを含むのが好適である。 Further, the perovskite type oxide preferably further contains a metal oxide M.

また、上記A1はBiであり、A2はNaであり、A3はBaであるのが好適である。 Further, it is preferable that A1 is Bi, A2 is Na, and A3 is Ba.

また、上記MはCuであるのが好適である。 Further, it is preferable that M is Cu.

また、本発明のさらに他の実施形態は、上記セラミックスを使用したキャパシタまたは圧電素子であることを特徴とする。 Further, yet another embodiment of the present invention is characterized by being a capacitor or a piezoelectric element using the above ceramics.

本発明によれば、誘電率や圧電歪み定数を大きく変更可能な分極ツイストを示す誘電体材料、分極を制御可能な誘電体構造体、並びにこれを使用したキャパシタ及び圧電素子、並びに分極特性を制御可能なセラミックス並びにこれを使用したキャパシタ及び圧電素子を実現できる。 According to the present invention, a dielectric material showing a polarization twist that can greatly change the dielectric constant and the piezoelectric strain constant, a dielectric structure that can control polarization, a capacitor and a piezoelectric element using the same, and polarization characteristics are controlled. Possible ceramics and capacitors and piezoelectric elements using them can be realized.

分極ツイストの説明図である。It is explanatory drawing of the polarization twist. 分極ツイストを示す誘電体材料の結晶に電場Eを印加した場合の説明図である。It is explanatory drawing when the electric field E is applied to the crystal of the dielectric material which shows a polarization twist. 実施形態1に係る分極ツイストを示す誘電体材料を使用した分極Pを制御可能な誘電体構造体の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the dielectric structure which can control the polarization P using the dielectric material which shows the polarization twist which concerns on Embodiment 1. FIG. 分極ツイストの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the polarization twist. 分極ツイストの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the polarization twist. 電場が変化したときの回転角度ωと分極Pとの関係の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the relationship between the rotation angle ω and the polarization P when the electric field changes. 電場の変化と誘電率の変化との関係の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the relationship between the change of an electric field and the change of a dielectric constant. 電場の変化と圧電歪み定数の変化との関係の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the relationship between the change of an electric field and the change of a piezoelectric strain constant. 実施形態2にかかるセラミックスの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of the ceramics which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施例4にかかるセラミックスのP(分極)−E(電場)曲線を示す図である。It is a figure which shows the P (polarization) -E (electric field) curve of the ceramics which concerns on Example 4. FIG. 実施例4にかかるセラミックスのP(分極)−E(電場)曲線の他の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the P (polarization) -E (electric field) curve of the ceramics which concerns on Example 4. FIG. 強誘電相(空間群P4mm)とフェリ誘電相(空間群P4bm)との間で相転移が起こる電場とAサイト空孔の量δとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric field where a phase transition occurs between a strong dielectric phase (space group P4mm) and ferri dielectric phase (space group P4bm), and the amount δ of A site vacancy. 実施例5にかかるセラミックスのP−E曲線を示す図である。It is a figure which shows the PE curve of the ceramics which concerns on Example 5. FIG. 図13のA点、B点間で電場Eを変化させた場合の、P(分極)−E(電場)曲線、電気感受率χ(E)を示す図である。It is a figure which shows the P (polarization) -E (electric field) curve, and the electric susceptibility χ (E) when the electric field E is changed between the point A and the point B of FIG. 実施例5にかかるセラミックスのP(分極)−E(電場)曲線の他の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the P (polarization) -E (electric field) curve of the ceramics which concerns on Example 5. FIG. 図15のA点、B点間で電場Eを変化させた場合の、P(分極)−E(電場)曲線、電気感受率χ(E)を示す図である。It is a figure which shows the P (polarization) -E (electric field) curve, and the electric susceptibility χ (E) when the electric field E is changed between the point A and the point B of FIG. 実施例5にかかるセラミックスのP(分極)−E(電場)曲線のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows still another example of the P (polarization) -E (electric field) curve of the ceramics which concerns on Example 5. FIG. 図17(a)のA点、B点間で電場Eを変化させた場合の、P(分極)−E(電場)曲線、電気感受率χ(E)を示す図である。It is a figure which shows the P (polarization) -E (electric field) curve, and the electric susceptibility χ (E) when the electric field E is changed between the point A and the point B of FIG. 17A. 図17(b)のC点、G点間で電場Eを変化させた場合の、P(分極)−E(電場)曲線、電気感受率χ(E)を示す図である。FIG. 17 (b) is a diagram showing a P (polarization) -E (electric field) curve and an electric susceptibility χ (E) when the electric field E is changed between points C and G in FIG. 17 (b). セラミックスへの電場E(=50kV/cm)の印加前後におけるセラミックスの状態(相)のまとめを示す図である。It is a figure which shows the summary of the state (phase) of ceramics before and after application of an electric field E (= 50 kV / cm) to ceramics.

以下、本発明を実施するための形態(以下、実施形態という)を、図面に従って説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.

実施形態1.
図1(a)、(b)には、分極ツイストの説明図が示される。図1(a)は、誘電体材料において一般的なペロブスカイト型構造(ABX)の結晶格子の模式図である。図1(a)において、ペロブスカイト構造の母結晶(対称性が高い結晶相)は、立方晶の単位格子で表され、立方晶の各頂点のAサイトに金属Aが、体心のBサイトに金属Bが配置され、金属Bを中心として6個のアニオンXが立方晶の各面心に配置されている。ここで、アニオンXとしては、酸素、フッ素、塩素、臭素、ヒ素等が使用できるが、作製が比較的容易で取り扱いの簡便性等の理由で、酸素が好適である。
Embodiment 1.
1 (a) and 1 (b) show explanatory views of the polarization twist. FIG. 1A is a schematic diagram of a crystal lattice of a perovskite-type structure (ABX 3) that is common in dielectric materials. In FIG. 1 (a), the mother crystal of the perovskite structure (crystal phase with high symmetry) is represented by a cubic unit cell, and metal A is located at the A site at each apex of the cubic crystal, and metal A is located at the B site of the body center. The metal B is arranged, and six anions X are arranged at each face center of the cubic crystal centering on the metal B. Here, as the anion X, oxygen, fluorine, chlorine, bromine, arsenic and the like can be used, but oxygen is preferable because it is relatively easy to prepare and easy to handle.

また、金属Aとしては、プラス三価のイオンとなる金属元素であるBi,La,Nd,Pr,Smやその他の希土類元素等、プラス二価のイオンとなる金属元素であるPb,Ba,Sr、プラス一価のイオンとなる金属元素であるK,Na,Ag,Li等が挙げられ、金属Bとしては、プラス三価のイオンとなる金属元素であるY等の比較的イオン半径の小さい希土類元素,Sc、プラス四価のイオンとなる金属元素であるTi,Zr,Hf等、プラス五価のイオンとなる金属元素であるNbおよびTa等、プラス六価のイオンとなる金属元素であるMoおよびW等が挙げられる。また、金属Bには、複数の価数を取り得る金属元素であるV,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu等の遷移金属元素も挙げられる。なお、プラス二価のイオンとなるCa,Mg,Znは、AサイトとBサイトのいずれにも入りうる元素である。 The metal A includes metal elements such as Bi, La, Nd, Pr, Sm and other rare earth elements which are positive trivalent ions, and Pb, Ba and Sr which are metal elements which are positive divalent ions. , K, Na, Ag, Li, etc., which are metal elements that become positive monovalent ions, and as metal B, rare earths such as Y, which is a metal element that becomes positive trivalent ions, have a relatively small ionic radius. Elements, Sc, metal elements that are positive tetravalent ions such as Ti, Zr, Hf, metal elements that are positive pentavalent ions such as Nb and Ta, and Mo that are metal elements that are positive hexavalent ions. And W and the like. Further, the metal B also includes transition metal elements such as V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, which are metal elements having a plurality of valences. Ca, Mg, and Zn, which are positive divalent ions, are elements that can enter both A site and B site.

図1(a)に示されるように、ペロブスカイト構造の結晶の単位格子では、アニオンXにより八面体が形成されている。 As shown in FIG. 1 (a), in the unit cell of a crystal having a perovskite structure, an octahedron is formed by anions X.

図1(b)には、図1(a)の矢印D方向から結晶格子を見た場合の模式図が示される。図1(b)の例では、図1(a)に示されたABXの単位格子が四つ示されている。FIG. 1B shows a schematic view when the crystal lattice is viewed from the direction of arrow D in FIG. 1A. In the example of FIG. 1 (b), four unit cells of ABX 3 shown in FIG. 1 (a) are shown.

結晶系が立方晶や正方晶(空間群P4mm)の結晶では、酸素八面体の回転角度ωはゼロであり、八面体の回転はない。一方、フェリ誘電相(空間群P4bm)では図1(b)に示されるように、アニオンXにより形成された各八面体が立方晶の結晶軸(金属Aを結んだ線に平行な軸)に対して角度ω回転して配列しており、本明細書では、この静的構造および電場を印加すると分極値と八面体の回転角度ωの両方がともに変化する構造を分極ツイストという。また、各八面体は、図1(a)の矢印D方向で対向する二つの頂点(アニオンX)を結ぶ線を回転軸として回転しており、隣接する2つの八面体間で回転方向が逆で、回転角度の大きさが同じ(ω)になっている。 In a crystal whose crystal system is cubic or tetragonal (space group P4 mm), the rotation angle ω of the oxygen octahedron is zero, and there is no rotation of the octahedron. On the other hand, in the ferri dielectric phase (space group P4bm), as shown in FIG. 1 (b), each octahedron formed by the anion X has a cubic crystal axis (axis parallel to the line connecting the metal A). In the present specification, the static structure and the structure in which both the polarization value and the rotation angle ω of the octahedron change when an electric field is applied are referred to as a polarization twist. Further, each octahedron rotates about a line connecting two vertices (anion X) facing each other in the direction of arrow D in FIG. 1A as a rotation axis, and the rotation directions are opposite between two adjacent octahedrons. And the size of the rotation angle is the same (ω).

なお、誘電体材料には、結晶の対称性が高い上記立方晶の結晶構造をもつものの他、結晶の対称性が低下して、正方晶、斜方晶、菱面体晶(三方晶を含む)、単斜晶、三斜晶の結晶構造をもつ材料もある。これら対称性の低い結晶系は、立方晶が歪んだ疑似立方晶として近似することができる。 In addition to the dielectric material having the above-mentioned cubic crystal structure having high crystal symmetry, the symmetry of the crystal is lowered, and the symmetry of the crystal is lowered, so that the symmetry of the crystal is lowered, and the symmetric crystal, the orthogonal crystal, and the rhombic crystal (including the triclinic crystal) are used. Some materials have a monoclinic or triclinic crystal structure. These low-symmetry crystal systems can be approximated as pseudo-cubic crystals with distorted cubic crystals.

上記分極ツイストを示す誘電体材料は、常誘電体、フェリ誘電体、強誘電体または反強誘電体であって、ペロブスカイト構造(組成式:ABX)をもつ上記立方晶または疑似立方晶の各頂点に配置された金属Aが欠落したAサイト空孔の濃度が低いものを挙げることができる。ここで、Aサイト空孔の濃度は、以下の式で求められる。The dielectric material exhibiting the polarization twist is an ordinary dielectric, a ferrielectric, a ferroelectric or an antiferroelectric, and each of the cubic or pseudo-cubic crystals having a perovskite structure (composition formula: ABX 3). Examples thereof include those having a low concentration of A-site vacancies in which the metal A arranged at the apex is missing. Here, the concentration of the A-site pores is calculated by the following formula.

Figure 2020004670
Figure 2020004670

具体的には、各頂点(Aサイト)に配置されたAサイト金属の形式電荷について、プラス三価の場合にはそのAサイト空孔の濃度が3%以下、プラス二価の場合にはそのAサイト空孔の濃度が5%以下、プラス一価の場合にはそのAサイト空孔の濃度が6%以下であることが好適である。このようなAサイト空孔の濃度の場合、Aサイト空孔により導入される酸素空孔等のアニオンXの空孔の濃度が1%以下となり、分極ツイストの発現が容易となる。なお、アニオンXが酸素の場合の酸素空孔の濃度は以下の式で求められる。 Specifically, regarding the formal charge of the A-site metal arranged at each vertex (A-site), the concentration of the A-site vacancies is 3% or less in the case of plus trivalent, and the concentration is 3% or less in the case of plus divalent. It is preferable that the concentration of the A-site vacancies is 5% or less, and in the case of plus monovalent, the concentration of the A-site vacancies is 6% or less. In the case of such a concentration of A-site vacancies, the concentration of vacancies of anion X such as oxygen vacancies introduced by A-site vacancies becomes 1% or less, and the expression of polarization twist becomes easy. When the anion X is oxygen, the concentration of oxygen vacancies is calculated by the following formula.

Figure 2020004670
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上記酸素空孔等のアニオンの空孔の濃度は、上記Aサイト空孔の濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)や蛍光X線分析装置(XRF)による定量分析により測定し、その結果に基づき電気的中性条件から決定することができる。なお、上記ICP−AESまたはXRFによる定量分析では、Bサイトの金属の組成を基準として、Aサイトの金属の全ての組成(物質量比)を求め、Aサイト数とAサイト金属組成の合計の差から、Aサイト空孔濃度(各金属の空孔濃度の合算値)が得られる。具体的なAサイト空孔濃度の算出方法は実施例1で説明する。 The concentration of anion vacancies such as oxygen vacancies was measured by measuring the concentration of A site vacancies by quantitative analysis using inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES) or a fluorescent X-ray analyzer (XRF). Based on the result, it can be determined from the electrically neutral condition. In the quantitative analysis by ICP-AES or XRF, all the compositions (amount of substance ratio) of the metal of A site are obtained based on the composition of the metal of B site, and the total of the number of A sites and the A site metal composition is obtained. From the difference, the A-site vacancy concentration (the total value of the vacancy concentrations of each metal) can be obtained. A specific method for calculating the A-site pore concentration will be described in Example 1.

一般に、上記Aサイト空孔が生成すると、電気的中性条件を満足するように、酸素等のアニオンXの空孔も形成される。ペロブスカイト型酸化物(ABO)では、Aサイト空孔が生成すると、酸素の空孔が同時に生成する。例えば、A=Biの場合には、Bi3+の空孔が2個できると、酸素サイト(酸化物イオン(O2−)のサイト)に空孔(酸素空孔)が3個生成して、電気的中性条件を満たす。A=Agの場合には、Agの空孔が2個できると、酸素空孔が1個生成して、電気的中性条件を満たす。上記金属の空孔の濃度が高くなると、酸素空孔の濃度も高くなる。分極をもつ誘電体において、酸素空孔は分極と相互作用して、電場によるマクロな分極の変化を妨げる。このため、分極ツイストを潜在的に示す誘電体材料であっても、酸素空孔の濃度が高くその影響が大きい試料では、電場による分極の変化が妨げられ、電場印加による分極ツイストを観測できない場合が多い。一方、上記酸素空孔の濃度を小さくする(1%以下)と、酸素空孔の影響が小さくなり、電場印加による分極ツイストが観測される。Generally, when the A-site vacancies are formed, vacancies of anion X such as oxygen are also formed so as to satisfy the electrically neutral condition. In perovskite-type oxide (ABO 3 ), when A-site vacancies are formed, oxygen vacancies are formed at the same time. For example, in the case of A = Bi, when two Bi 3+ vacancies are formed, three vacancies (oxygen vacancies) are generated at oxygen sites (oxide ion (O 2-) sites). Satisfy the electrical neutrality condition. In the case of A = Ag, when two Ag + vacancies are formed, one oxygen vacancies is generated, and the electrical neutrality condition is satisfied. As the concentration of the metal vacancies increases, so does the concentration of oxygen vacancies. In polarized dielectrics, oxygen vacancies interact with polarization to prevent macroscopic polarization changes due to electric fields. For this reason, even if the dielectric material potentially exhibits a polarization twist, in a sample having a high concentration of oxygen vacancies and a large influence thereof, the change in polarization due to an electric field is hindered, and the polarization twist due to the application of an electric field cannot be observed. There are many. On the other hand, when the concentration of the oxygen vacancies is reduced (1% or less), the influence of the oxygen vacancies is reduced, and a polarization twist due to the application of an electric field is observed.

上記分極ツイストを示す誘電体材料の製造は、熱処理過程を経て得られる。この熱処理条件の温度は低いほど、上記Aサイト空孔及び酸素空孔の濃度は小さくなり、結晶の完全性が高くなる。また、熱処理時の酸素分圧が高いほど、上記Aサイト空孔の濃度は小さくなり、結晶の完全性が高くなる。結晶の完全性が高くなると、電場印加による分極ツイストを誘起し易くなり、分極を電圧で制御することを介して、印加する電場によって誘電率や圧電歪み定数を大きく変更可能となる。 The production of the dielectric material exhibiting the polarization twist is obtained through a heat treatment process. The lower the temperature under the heat treatment conditions, the lower the concentration of the A-site vacancies and the oxygen vacancies, and the higher the crystal integrity. Further, the higher the oxygen partial pressure during the heat treatment, the lower the concentration of the A-site pores and the higher the crystal integrity. When the crystal completeness is high, it becomes easy to induce a polarization twist due to the application of an electric field, and the dielectric constant and the piezoelectric strain constant can be greatly changed by the applied electric field through controlling the polarization by a voltage.

通常、上記熱処理は空気中(酸素分圧は約0.02MPa)で行われることが多い。空気中で熱処理(例えば1000℃〜1300℃の温度で熱処理)すると、蒸気圧の高い元素(BiやAg)が揮発する欠陥生成反応が起こり、これらのAサイト空孔の濃度が大きくなる。この熱処理時の酸素分圧を上げると、上記欠陥生成反応が抑制されて、これらのAサイト空孔濃度が小さくなる。熱処理時の酸素分圧が高ければ高いほど、欠陥生成反応は起こりにくくなり、これらAサイト空孔濃度が小さくなって、結果として酸素空孔の濃度が小さい高品質な誘電体材料が得られる。高品質な誘電体材料を製造するには、酸素分圧を0.1MPaから1MPaとするのが好適である。さらに酸素分圧を10MPa程度にまで上げると、さらに高品質な誘電体材料が製造できる可能性がある。 Usually, the above heat treatment is often performed in air (oxygen partial pressure is about 0.02 MPa). When heat treatment is performed in air (for example, heat treatment at a temperature of 1000 ° C. to 1300 ° C.), a defect formation reaction occurs in which elements having a high vapor pressure (Bi or Ag) volatilize, and the concentration of these A-site vacancies increases. When the oxygen partial pressure during this heat treatment is increased, the defect formation reaction is suppressed and the concentration of these A-site vacancies decreases. The higher the oxygen partial pressure during the heat treatment, the less likely it is that the defect formation reaction will occur, and the concentration of these A-site pores will decrease, resulting in a high-quality dielectric material with a small concentration of oxygen pores. In order to produce a high quality dielectric material, it is preferable that the oxygen partial pressure is 0.1 MPa to 1 MPa. If the oxygen partial pressure is further increased to about 10 MPa, there is a possibility that a higher quality dielectric material can be produced.

また、同じ酸素分圧で熱処理する場合には、熱処理温度が低いほど、上記欠陥生成反応が抑制されて、Aサイト空孔と酸素空孔の濃度が小さくなり、高品質な誘電体材料が得られる。 Further, in the case of heat treatment with the same oxygen partial pressure, the lower the heat treatment temperature, the more the defect formation reaction is suppressed, the concentration of A-site vacancies and oxygen vacancies becomes smaller, and a high-quality dielectric material can be obtained. Be done.

分極ツイストを示すBi系やAg系のペロブスカイト型酸化物は、通常1000℃〜1200℃の温度で熱処理して製造する。この熱処理時の酸素分圧を0.02MPaから0.1MPaに上げると、Biの空孔濃度とAgの空孔濃度が小さくなる。この場合、熱処理温度が低い程、上記Bi、Ag等の金属の空孔濃度をさらに小さくすることができる。以上の操作により、酸素空孔の濃度を1%以下にすることができる。さらに、酸素分圧を1MPa程度に上げると、Biの空孔濃度とAgの空孔濃度が0.01%〜1%未満に小さくなり、得られた単結晶で明瞭な分極ツイストを電場によって誘起できる。 Bi-based and Ag-based perovskite-type oxides showing a polarization twist are usually produced by heat treatment at a temperature of 1000 ° C. to 1200 ° C. When the oxygen partial pressure during this heat treatment is increased from 0.02 MPa to 0.1 MPa, the pore concentration of Bi and the pore concentration of Ag become smaller. In this case, the lower the heat treatment temperature, the smaller the pore concentration of the metal such as Bi and Ag. By the above operation, the concentration of oxygen vacancies can be reduced to 1% or less. Further, when the oxygen partial pressure is increased to about 1 MPa, the pore concentration of Bi and the pore concentration of Ag are reduced to 0.01% to less than 1%, and a clear polarization twist is induced in the obtained single crystal by an electric field. can.

本発明者らは、上記分極ツイストを示す誘電体材料の結晶に、図1(a)の矢印Dと平行に電場を印加すると、アニオンXにより形成された八面体の回転角度ωが変化するとともに分極の大きさが変化することを見いだした。 When an electric field is applied to the crystal of the dielectric material showing the polarization twist in parallel with the arrow D in FIG. 1A, the present inventors change the rotation angle ω of the octahedron formed by the anion X and at the same time. We have found that the magnitude of polarization changes.

図2(a)、(b)、(c)、(d)には、分極ツイストを示す誘電体材料の結晶に電場(E)を印加した場合の説明図が示される。なお、図2(a)、(b)、(c)、(d)に示すペロブスカイト型構造体ABXにおいて、金属A、B、アニオンXは省略し、アニオンXにより形成された八面体のみ示している。また、電場の大きさがゼロの(電場が印加されていない)場合の図2(a)における分極Pが自発分極Psである。また、八面体の回転角度ωの大きさは矢印rで示される。また、図2(a)、(b)、(c)、(d)の順に印加される電場Eの大きさが大きくなると,結晶の分極Pも大きくなる。2 (a), (b), (c), and (d) show explanatory views when an electric field (E) is applied to a crystal of a dielectric material showing a polarization twist. In the perovskite-type structure ABX 3 shown in FIGS. 2 (a), (b), (c), and (d), the metals A, B, and anion X are omitted, and only the octahedron formed by the anion X is shown. ing. Further, the polarization P in FIG. 2A when the magnitude of the electric field is zero (no electric field is applied) is the spontaneous polarization Ps. The magnitude of the rotation angle ω of the octahedron is indicated by the arrow r. Further, as the magnitude of the electric field E applied in the order of FIGS. 2 (a), (b), (c), and (d) increases, the polarization P of the crystal also increases.

図2(a)のように、電場Eの印加が無い状態から図2(b)に示される小さい電場Eを印加すると、上記八面体の回転角度ωの大きさrが減少するとともに、分極Pの大きさが大きくなる。次に、図2(c)のように、印加する電場Eをさらに大きくすると、回転角度ωの大きさrがさらに減少するとともに、分極Pの大きさがさらに大きくなる。 When the small electric field E shown in FIG. 2B is applied from the state where the electric field E is not applied as shown in FIG. 2A, the magnitude r of the rotation angle ω of the octahedron decreases and the polarization P The size of is increased. Next, as shown in FIG. 2C, when the applied electric field E is further increased, the magnitude r of the rotation angle ω is further reduced and the magnitude of the polarization P is further increased.

ここで、図2(d)のように、さらに大きな電場Eを印加すると、八面体の回転角度ωの大きさrが0となり(図2(d)に矢印rが記載されていないことにより表現している)、これに伴い分極Pの大きさが図2(a)の場合よりも顕著に大きくなっている。この状態では、誘電体材料の性質が強誘電相(強誘電体の状態)に転移(相転移)している。なお、図2(d)の状態から電場Eの大きさrを小さくして行くと、分極Pの大きさが小さくなると共に八面体の回転角度ωの大きさrが大きくなって、電場Eをゼロにすると図2(a)の状態に戻って行く。 Here, when a larger electric field E is applied as shown in FIG. 2D, the magnitude r of the rotation angle ω of the octahedron becomes 0 (expressed by the fact that the arrow r is not shown in FIG. 2D). Along with this, the magnitude of the polarization P is significantly larger than that in the case of FIG. 2 (a). In this state, the properties of the dielectric material are transferred (phase transition) to the ferroelectric phase (ferroelectric state). When the magnitude r of the electric field E is reduced from the state of FIG. 2 (d), the magnitude r of the polarization P becomes smaller and the magnitude r of the rotation angle ω of the octahedron becomes larger, so that the electric field E becomes smaller. When it is set to zero, it returns to the state shown in FIG. 2 (a).

以上より、誘電体材料の結晶に印加する電場Eを大きくすると、八面体の回転角度ωの大きさrが小さくなり分極Pは大きくなる。一方、電場Eを小さくすると、八面体の回転角度ωの大きさrが大きくなり分極Pは小さくなる。分極ツイストにおける分極Pの大きさは、印加する電場Eに対して正の相関がある。 From the above, when the electric field E applied to the crystal of the dielectric material is increased, the magnitude r of the rotation angle ω of the octahedron becomes smaller and the polarization P becomes larger. On the other hand, when the electric field E is made small, the magnitude r of the rotation angle ω of the octahedron becomes large and the polarization P becomes small. The magnitude of polarization P in the polarization twist has a positive correlation with the applied electric field E.

なお、上記非特許文献1等に記載されたとおり、アニオンXにより形成された八面体の回転角度ωの大きさrは、X線回折(XRD)または中性子回折により測定することができる。 As described in Non-Patent Document 1 and the like, the magnitude r of the rotation angle ω of the octahedron formed by the anion X can be measured by X-ray diffraction (XRD) or neutron diffraction.

誘電体材料の結晶に電場Eを印加すると分極Pが変化して、電束密度Dも変化する。誘電体材料の誘電率をε(ε=ε×ε、ε:真空の誘電率、ε:比誘電率)とし、誘電体の電気感受率をχとすると、以下の関係式が成立する。When an electric field E is applied to a crystal of a dielectric material, the polarization P changes and the electric flux density D also changes. Assuming that the dielectric constant of the dielectric material is ε (ε = ε 0 × ε r , ε 0 : vacuum dielectric constant, ε r : relative permittivity) and the electric susceptibility of the dielectric is χ, the following relational expression is obtained. To establish.

Figure 2020004670
Figure 2020004670

式(1)を変形すると以下の式(2)が得られる。従って、電場Eを印加した状態で分極Pを測定すると、式(2)により電気感受率χが実験で求まり、式(1)より比誘電率ε(ε=1+χ)が得られる。By transforming the equation (1), the following equation (2) is obtained. Therefore, when the polarization P is measured with the electric field E applied, the electric susceptibility χ can be obtained experimentally by the equation (2), and the relative permittivity ε rr = 1 + χ) can be obtained from the equation (1).

Figure 2020004670
Figure 2020004670

ここで、∂P/∂Eは、分極Pの電場Eによる偏微分を示す。すなわち∂P/∂Eは、ある電場Eでの分極Pの勾配に等しい。 Here, ∂P / ∂E indicates the partial differential of the polarization P due to the electric field E. That is, ∂P / ∂E is equal to the gradient of the polarization P at a certain electric field E.

また、誘電体材料の結晶に電場Eを印加すると歪み量S(電場Eでの結晶の長さ/電場Eがゼロでの結晶の長さ)が変化する。誘電体材料が分極Psをもつ系では、その圧電歪み定数をdとすると、これらの関係は以下の式(3)で一応示される。 Further, when an electric field E is applied to the crystal of the dielectric material, the strain amount S (the length of the crystal at the electric field E / the length of the crystal when the electric field E is zero) changes. In a system in which the dielectric material has polarization Ps, assuming that the piezoelectric strain constant is d, these relationships are tentatively shown by the following equation (3).

Figure 2020004670
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式(3)は、電場Eの大きさが1kV/cm以下の小さい場合に成り立つ式である。この場合には、圧電ひずみ定数dは材料定数(電場Eには依存せず一定)であるため、歪みSと電場Eの傾きが圧電ひずみ定数dに等しい。 Equation (3) is an equation that holds when the magnitude of the electric field E is as small as 1 kV / cm or less. In this case, since the piezoelectric strain constant d is a material constant (constant regardless of the electric field E), the slopes of the strain S and the electric field E are equal to the piezoelectric strain constant d.

一方、電場Eが数kV/cm以上に大きくなると、誘電体材料の圧電ひずみ定数dは電場Eに依存する。例えば、電場Eと自発分極Psの方位が異なる場合、自発分極Psには、電場Eとの角度が小さくなる方向(系の自由エネルギー(PsベクトルとEベクトルの内積(−Ps・E)で与えられる)が最小(最安定)になる方向)に回転する駆動力が働く。この結果、電場Eにより自発分極Psが回転すると(分極ドメインの回転を含む)、歪みSの電場E依存性はヒステリシスを示し、圧電ひずみ定数dは電場Eに依存する。また、分極ツイストを示す誘電体材料では、電場Eを大きくすると分極Pも大きくなって、圧電ひずみ定数dも大きくなる。従って、圧電ひずみ定数dは∂S/∂Eで評価される。 On the other hand, when the electric field E becomes larger than several kV / cm, the piezoelectric strain constant d of the dielectric material depends on the electric field E. For example, when the directions of the electric field E and the spontaneous polarization Ps are different, the spontaneous polarization Ps is given in the direction in which the angle with the electric field E becomes smaller (the free energy of the system (the inner product of the Ps vector and the E vector (-Ps · E)). The driving force that rotates in the direction in which (is) becomes the minimum (most stable) works. As a result, when the spontaneous polarization Ps is rotated by the electric field E (including the rotation of the polarization domain), the electric field E dependence of the strain S shows hysteresis, and the piezoelectric strain constant d depends on the electric field E. Further, in a dielectric material exhibiting a polarization twist, when the electric field E is increased, the polarization P is also increased, and the piezoelectric strain constant d is also increased. Therefore, the piezoelectric strain constant d is evaluated by ∂S / ∂E.

以上に述べた実施形態1に係る分極ツイストを潜在的に示す誘電体材料でも、上記のAサイト空孔の濃度が大きく、酸素空孔の濃度が1%を超えると、電場印加による分極ツイストを誘起できない。本実施形態1では、誘電体材料の製造の熱処理条件を上記のように工夫することにより、上記酸素空孔の濃度を1%以下としているので、酸素空孔の影響も小さくなり、電場Eの印加により分極ツイストを発現させることができる。このため、誘電体材料の結晶に電場Eを印加することにより分極Pを大きく変化させることができ、分極Pの変化を介して誘電体材料の誘電率εと圧電歪み定数dを、広い範囲で制御することができる。 Even in the dielectric material that potentially exhibits the polarization twist according to the first embodiment described above, when the concentration of the A-site pores is large and the concentration of the oxygen pores exceeds 1%, the polarization twist due to the application of an electric field is performed. Cannot induce. In the first embodiment, the concentration of the oxygen vacancies is set to 1% or less by devising the heat treatment conditions for producing the dielectric material as described above, so that the influence of the oxygen vacancies is reduced and the electric field E is affected. Polarization twist can be expressed by application. Therefore, the polarization P can be significantly changed by applying the electric field E to the crystal of the dielectric material, and the dielectric constant ε and the piezoelectric strain constant d of the dielectric material can be changed in a wide range through the change of the polarization P. Can be controlled.

図3(a)、(b)、(c)には、実施形態1に係る分極ツイストを示す誘電体材料を使用した分極を制御可能な誘電体構造体の例が示される。図3(a)の例では、分極ツイストを示す誘電体材料10の対向する2つの表面に、分極を制御する部材としての電極12a、12bが配置されている。また、図3(b)の例では、図3(a)と同様に分極ツイストを示す誘電体材料10の対向する2つの表面に電極12a、12bが配置されており、さらに電極12a、12bの間(誘電体材料10の内部)に中間電極14が配置されている。図3(a)、(b)の例では、電極12a、12b、及び中間電極14が誘電体材料10と接触して配置されており、誘電体材料10に任意に電場を印加できる構成となっている。なお、中間電極14の数は1つには限られず、用途に応じて適宜の数とすることができる。また、中間電極14の形状及び配置位置も用途に応じて適宜決定できる。 3 (a), (b), and (c) show an example of a dielectric structure capable of controlling polarization using a dielectric material showing a polarization twist according to the first embodiment. In the example of FIG. 3A, electrodes 12a and 12b as members for controlling polarization are arranged on two opposing surfaces of the dielectric material 10 showing a polarization twist. Further, in the example of FIG. 3B, electrodes 12a and 12b are arranged on two opposing surfaces of the dielectric material 10 exhibiting a polarization twist as in FIG. 3A, and the electrodes 12a and 12b are further arranged. An intermediate electrode 14 is arranged between them (inside the dielectric material 10). In the examples of FIGS. 3A and 3B, the electrodes 12a and 12b and the intermediate electrode 14 are arranged in contact with the dielectric material 10, and an electric field can be arbitrarily applied to the dielectric material 10. ing. The number of intermediate electrodes 14 is not limited to one, and may be an appropriate number depending on the application. Further, the shape and the arrangement position of the intermediate electrode 14 can be appropriately determined according to the application.

また、図3(c)の例では、電極12a、12bが誘電体材料10の外部に、誘電体材料10と接触せずに配置されている。図3(c)では、電極12a、12bにより生じた電場が、その近傍に配置された誘電体材料10に印加される構成となっている。 Further, in the example of FIG. 3C, the electrodes 12a and 12b are arranged outside the dielectric material 10 without contacting the dielectric material 10. In FIG. 3C, the electric field generated by the electrodes 12a and 12b is applied to the dielectric material 10 arranged in the vicinity thereof.

以上に述べた図3(a)、(b)、(c)に示された分極を制御可能な誘電体構造体の例では、電極12a、12b、中間電極14から誘電体材料10に電場を印加し、上述した原理によりアニオンXにより形成された八面体の回転角度ωの大きさrを変化させ、分極Pを変化させることにより誘電体材料の誘電率εと圧電歪み定数dとを制御することができる。 In the example of the dielectric structure whose polarization can be controlled shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C described above, an electric field is applied to the dielectric material 10 from the electrodes 12a and 12b and the intermediate electrode 14. By applying and changing the magnitude r of the rotation angle ω of the octahedron formed by the anion X according to the above-mentioned principle and changing the polarization P, the dielectric constant ε and the piezoelectric strain constant d of the dielectric material are controlled. be able to.

なお、電極12a、12b、中間電極14等の誘電体材料に電場を作用させて分極を制御する部材は、図3(a)、(b)、(c)の例には限定されず、誘電体材料10に印加する電場を制御できればその数、形状、配置場所を任意に決定することができる。 The members for controlling polarization by applying an electric field to a dielectric material such as the electrodes 12a and 12b and the intermediate electrode 14 are not limited to the examples of FIGS. 3A, 3B, and 3C, and are dielectric. If the electric field applied to the body material 10 can be controlled, the number, shape, and arrangement location of the electric field can be arbitrarily determined.

本実施形態1に係る分極を制御可能な誘電体構造体は、電場の印加により誘電率εと圧電歪み定数dとを制御することができる。具体的には、電場の印加により誘電率εと圧電歪み定数dとを大きな値に変化させることができる。このため、キャパシタ及び圧電素子等に好適に利用できる。 The dielectric structure according to the first embodiment, which can control the polarization, can control the dielectric constant ε and the piezoelectric strain constant d by applying an electric field. Specifically, the dielectric constant ε and the piezoelectric strain constant d can be changed to large values by applying an electric field. Therefore, it can be suitably used for capacitors, piezoelectric elements and the like.

本実施形態1に係る分極を制御可能な誘電体構造体をキャパシタとして使用する場合、例えば図3(a)、(b)に示された構成をそのまま使用することができる。この場合、電極12a、12bに電荷が充電されると、これにより発生する電場により誘電体材料10の誘電率εが大きく増大するので、キャパシタの静電容量を大きく増大させ、充電電荷を大きく増加させることができる。 When the dielectric structure having controllable polarization according to the first embodiment is used as a capacitor, for example, the configurations shown in FIGS. 3A and 3B can be used as they are. In this case, when the electrodes 12a and 12b are charged with electric charges, the dielectric constant ε of the dielectric material 10 is greatly increased by the electric field generated by the electric field, so that the capacitance of the capacitor is greatly increased and the charging charge is greatly increased. Can be made to.

なお、図3(c)の構成により、キャパシタの外部から電場を印加することにより、キャパシタの静電容量を大きく増大させることもできる。 According to the configuration of FIG. 3C, the capacitance of the capacitor can be greatly increased by applying an electric field from the outside of the capacitor.

また、本実施形態1に係る分極を制御可能な誘電体構造体を圧電素子として使用する場合にも、図3(a)、(b)に示された構成をそのまま使用することができる。この場合、電極12a、12bに電圧を印加すると、これにより発生する電場により誘電体材料10の圧電歪み定数dが大きく増大するので、歪み量Sの大きな圧電素子を実現できる。 Further, when the dielectric structure having controllable polarization according to the first embodiment is used as the piezoelectric element, the configurations shown in FIGS. 3A and 3B can be used as they are. In this case, when a voltage is applied to the electrodes 12a and 12b, the piezoelectric strain constant d of the dielectric material 10 is greatly increased by the electric field generated by the voltage, so that a piezoelectric element having a large strain amount S can be realized.

なお、図3(c)の構成により、圧電素子の外部から電場を印加することにより、圧電素子の歪み量Sを大きく増大させることもできる。 According to the configuration of FIG. 3C, the strain amount S of the piezoelectric element can be greatly increased by applying an electric field from the outside of the piezoelectric element.

実施形態2.
本実施形態2にかかるセラミックスは、ペロブスカイト型構造の結晶であるペロブスカイト型酸化物(ABO)で構成されたセラミックスである。
Embodiment 2.
The ceramic according to the second embodiment is a ceramic composed of a perovskite-type oxide (ABO 3 ), which is a crystal having a perovskite-type structure.

具体的な例としては、下記一般式(4)で表されるペロブスカイト型酸化物の多結晶で構成されたセラミックスであって、
(A1(1−x+δ)/2A2(1−x−3δ)/2A3δ)BO・・・(4)
上記A1は三価の金属であり、A2は一価の金属であり、A3は二価の金属であり、Bは四価の金属であり、□はAサイト空孔を表し、上記Aサイト空孔の量(モル分率)δが0〜3%であり、上記A3の量(モル分率)xが2〜25%であることを特徴とする。
A specific example is a ceramic composed of polycrystals of perovskite-type oxide represented by the following general formula (4).
(A1 (1-x + δ) / 2 A2 (1-x-3δ) / 2 A3 xδ ) BO 3 ... (4)
A1 is a trivalent metal, A2 is a monovalent metal, A3 is a divalent metal, B is a tetravalent metal, □ represents A site vacancies, and A site empty. The amount of pores (mole fraction) δ is 0 to 3%, and the amount (mole fraction) x of A3 is 2 to 25%.

ここで、上記A1としては、BiやLa等の希土類元素等があげられ、A2としては、Li,Na、K等があげられ、A3としては、Ca、Sr、Ba等があげられる。また、Bとしては、Ti、Zr,Hf等があげられる。 Here, examples of A1 include rare earth elements such as Bi and La, examples of A2 include Li, Na, and K, and examples of A3 include Ca, Sr, and Ba. Further, examples of B include Ti, Zr, Hf and the like.

なお、上記ペロブスカイト型酸化物は、さらに金属Mを含んでいてもよい。Mの金属もしくは酸化物やフッ化物等のMを含む化合物を添加することにより、これが添加剤として作用し、ペロブスカイト型酸化物の焼結性や各種特性を向上することがある。例えば、金属Mの添加により焼結性が向上すると、より低い焼成温度で緻密なセラミックスが製造でき、結果として酸素空孔濃度が小さい高品質結晶のセラミックスが製造できる。また、添加した金属Mのイオンが酸素イオンサイトの空孔(酸素空孔)をトラップすることによって、酸素空孔の悪影響を軽減できるため、誘電特性、分極特性や圧電特性等の諸特性が向上する。 The perovskite-type oxide may further contain a metal M. By adding a compound containing M such as a metal of M or an oxide or fluoride, this may act as an additive to improve the sinterability and various properties of the perovskite type oxide. For example, if the sinterability is improved by adding the metal M, dense ceramics can be produced at a lower firing temperature, and as a result, high-quality crystalline ceramics having a small oxygen pore concentration can be produced. Further, since the added metal M ions trap the vacancy (oxygen vacancy) of the oxygen ion site, the adverse effect of the oxygen vacancy can be reduced, so that various characteristics such as dielectric property, polarization property and piezoelectric property are improved. do.

金属Mの酸化物を含む場合のペロブスカイト型酸化物は、下記一般式(5)で表される。
(A1(1−x+δ)/2A2(1−x−3δ)/2A3δ)(B1−y)O・・・(5)
ただし、A1、A2、A3、B及び□は、上記一般式(4)と同じであり、yは金属Mの組成(BサイトにおけるMのモル分率)である。Mとしては、Cu、Mn、Co等の遷移金属元素が挙げられる。また、yは0.001〜5%であるのが好適である。
The perovskite-type oxide when the oxide of the metal M is contained is represented by the following general formula (5).
(A1 (1-x + δ) / 2 A2 (1-x-3δ) / 2 A3 xδ ) (B 1- y My ) O 3 ... (5)
However, A1, A2, A3, B and □ are the same as the above general formula (4), and y is the composition of the metal M (molar fraction of M at the B site). Examples of M include transition metal elements such as Cu, Mn, and Co. Further, y is preferably 0.001 to 5%.

上記一般式(5)であらわされるペロブスカイト型酸化物は、例えば
(Bi(1−x+δ)/2Na(1−x−3δ)/2Baδ)(Ti0.999Cu0.001)O
で表される結晶が好適である。
The perovskite-type oxide represented by the above general formula (5) is, for example, (Bi (1-x + δ) / 2 Na (1-x-3δ) / 2 Ba xδ ) (Ti 0.999 Cu 0.001 ). O 3
The crystal represented by is preferable.

上記一般式(4)、(5)で表されるペロブスカイト型酸化物のセラミックスは、上記Aサイト空孔の量δ及びA3の量xを調整することにより、分極特性を制御することができる。このため、セラミックスの用途に応じて分極特性を調整できる。 The perovskite-type oxide ceramics represented by the general formulas (4) and (5) can control the polarization characteristics by adjusting the amount δ of the A-site pores and the amount x of A3. Therefore, the polarization characteristics can be adjusted according to the application of the ceramics.

例えば、ハイパワートランジスタ用のキャパシタのような、電場の変化が大きい用途では、電場の変化に対して誘電率の変動を小さく維持できる強誘電体(例えば空間群がP4mmである相)を誘電材料として使用することができる。また、積層セラミックスコンデンサ(MLCC)のように、電場の変化が小さい用途では、フェリ誘電相(P4bm相)のような分極ツイストの作用により、電場を印加したときの誘電率が高くなる誘電材料として使用することができる。また、圧電素子として使用する場合には、圧電歪み定数が比較的大きい従来のソフト系圧電材料が使用されている用途に、フェリ誘電相(P4bm相)の大きな圧電定数が利用できる。具体的には、マイクロポジショニングおよびナノポジショニング用のアクチュエータ、各種センサー、超音波送信機および受信機用、流量や液位測定用、物体識別・監視用、音響変換器やマイク、ピックアップ等の電気音響用に使用できる。圧電歪み定数が比較的小さく電気的損失の小さい従来のハード系圧電材料が使用されている用途に、強誘電相(P4mm相)の線形性の良い圧電定数が利用できる。具体的には、高電力の音響用、超音波を使った各種用途、材料加工(超音波溶接、接合やドリル等)、医療用センサー用に利用できる。 For example, in applications where the change in the electric field is large, such as a capacitor for a high-power transistor, a ferroelectric material (for example, a phase in which the space group is P4 mm) that can keep the fluctuation of the dielectric constant small with respect to the change in the electric field is used as the dielectric material. Can be used as. Further, in applications such as multilayer ceramic capacitors (MLCC) where the change in electric field is small, as a dielectric material whose dielectric constant increases when an electric field is applied due to the action of polarization twist such as ferri dielectric phase (P4bm phase). Can be used. Further, when used as a piezoelectric element, a large piezoelectric constant of the ferri-dielectric phase (P4bm phase) can be used for applications in which a conventional soft piezoelectric material having a relatively large piezoelectric strain constant is used. Specifically, actuators for micro-positioning and nano-positioning, various sensors, ultrasonic transmitters and receivers, flow rate and liquid level measurement, object identification / monitoring, electroacoustics such as acoustic transducers, microphones, and pickups. Can be used for. A ferroelectric constant with good linearity of a ferroelectric phase (P4 mm phase) can be used for applications in which a conventional hard piezoelectric material having a relatively small piezoelectric strain constant and a small electrical loss is used. Specifically, it can be used for high-power acoustics, various applications using ultrasonic waves, material processing (ultrasonic welding, bonding, drilling, etc.), and medical sensors.

図9には、本実施形態2にかかるセラミックスの製造工程の説明図が示される。図9において、まず、原料である酸化物または炭酸塩の秤量を行う(I)。秤量は、高純度試薬を十分に乾燥させた後、精密に行う。 FIG. 9 shows an explanatory diagram of the ceramic manufacturing process according to the second embodiment. In FIG. 9, first, the oxide or carbonate as a raw material is weighed (I). Weighing is performed precisely after the high-purity reagent has been sufficiently dried.

次に、上記秤量した酸化物または炭酸塩(A1、A2、A3、B、Mを含む原料)を粉砕混合し(II)、空気中で600〜1000℃、0.5〜20時間仮焼成を行う(III)。なお、金属Mの酸化物等は仮焼成の後に添加しても良い。仮焼成は、上記の通り、空気中で行うことができるが、酸素分圧が高い酸素中(酸素分圧0.1MPa程度)や高圧酸素雰囲気中(酸素分圧10MPa程度)が望ましい。 Next, the weighed oxide or carbonate (raw material containing A1, A2, A3, B, M) is pulverized and mixed (II), and pre-baked in air at 600 to 1000 ° C. for 0.5 to 20 hours. Do (III). The oxide of the metal M or the like may be added after the preliminary firing. As described above, the calcination can be performed in air, but it is desirable that the calcination is performed in oxygen having a high oxygen partial pressure (oxygen partial pressure of about 0.1 MPa) or in a high-pressure oxygen atmosphere (oxygen partial pressure of about 10 MPa).

上記仮焼成後、バインダーとしてPVA(ポリビニルアルコール)やPMMA(ポリメチルメタクリレート)を混合する(IV)。バインダーを混合した粉末を、プレス成形して圧粉体ペレットを作製する(V)。プレス成形は、一軸加圧プレスの後に等方加圧プレスを行う。プレス時の成形圧力は、150MPa程度で行う。その後、上記(III)と同様に、空気中または高濃度酸素雰囲気(酸素分圧0.1〜10MPa程度)中で1000〜1250℃、0.5〜20時間本焼成を行う(VI)。以上により、本実施形態2に係るかかるセラミックスを製造する。また、焼成前に比較的低温(200−500℃)でバインダーを除去する工程を設けてもよい。 After the pre-baking, PVA (polyvinyl alcohol) and PMMA (polymethylmethacrylate) are mixed as a binder (IV). The powder mixed with the binder is press-molded to prepare a green compact pellet (V). For press molding, an isotropic pressure press is performed after the uniaxial pressure press. The molding pressure at the time of pressing is about 150 MPa. Then, in the same manner as in (III) above, main firing is performed at 1000 to 1250 ° C. for 0.5 to 20 hours in the air or in a high-concentration oxygen atmosphere (oxygen partial pressure of about 0.1 to 10 MPa) (VI). As described above, the ceramics according to the second embodiment are manufactured. Further, a step of removing the binder at a relatively low temperature (200-500 ° C.) may be provided before firing.

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下の実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be specifically described. The following examples are for facilitating the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.

実施例1.Aサイト空孔濃度に基づく酸素空孔濃度と分極ツイストとの関係
<Aサイト空孔の濃度の測定>
ICP−AES装置としてエスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製 ICP発光分光分析装置 SPS−3100を使用した。
Example 1. Relationship between oxygen vacancy concentration and polarization twist based on A-site vacancy concentration <Measurement of A-site vacancy concentration>
An ICP emission spectroscopic analyzer SPS-3100 manufactured by SII Nanotechnology Co., Ltd. was used as the ICP-AES apparatus.

また、XRF装置としては、株式会社リガク製 走査型蛍光X線分析装置 ZSX Primus IIIを使用した。 As the XRF apparatus, a scanning fluorescent X-ray analyzer ZSX Primus III manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used.

以下にペロブスカイト型酸化物ABOである(Bi1/2Na1/2)TiO−7%BaTiOの単結晶試料(以後、単結晶試料1という)及びAgNbOの単結晶試料(以後、単結晶試料2という)の組成分析結果を示す。なお、以下においてPoは単結晶育成時の酸素分圧を表す。この場合、使用した酸素ガスは、株式会社鈴木商館製の純度99.9 vol.%である。また、酸素空孔濃度は、他の金属元素の組成を基に、電気的中性条件から決定した。Is a perovskite oxide ABO 3 below (Bi 1/2 Na 1/2) single crystal sample (hereinafter, referred to as single-crystal sample 1) of TiO 3 -7% BaTiO 3 and single crystal samples AgNbO 3 (hereinafter, The composition analysis result of (referred to as single crystal sample 2) is shown. In the following, Po 2 represents the oxygen partial pressure during single crystal growth. In this case, the oxygen gas used was manufactured by Suzuki Shokan Co., Ltd. with a purity of 99.9 vol. %. The oxygen vacancies concentration was determined from the electrically neutral conditions based on the composition of other metal elements.

・(Bi1/2Na1/2)TiO−7%BaTiO単結晶(単結晶試料1)
測定試料は、上記非特許文献1に記されているTSSG法(top seeded solution growth 溶液引き上げ法)により育成した。本単結晶試料1の育成は、Po=0.9MPaで行った。また、比較例としてPo=0.02MPaでの育成も行った(以後、比較例1という)。
· (Bi 1/2 Na 1/2) TiO 3 -7% BaTiO 3 single crystal (single crystal sample 1)
The measurement sample was grown by the TSSG method (top seeded solution growth method) described in Non-Patent Document 1. The growth of the single crystal sample 1 was carried out at Po 2 = 0.9 MPa. In addition, as a comparative example , cultivation was also carried out at Po 2 = 0.02 MPa (hereinafter referred to as Comparative Example 1).

上記単結晶試料1及び比較例1の単結晶試料は、X線回折実験により方位を決定し、[100]方位に電場を印加できるように切り出し、切り出した結晶の上面と下面に白金電極をスパッタリング法により設けた。切出しには、株式会社マルトー製ステップカッターMC−171を使用した。なお、測定に供した試料のサイズは、およそ電極面が1mm四方、厚さが0.1−0.2mmである。従って、厚さ0.1−0.2mmの試料に電圧を印加している。以上のように加工した単結晶試料1及び比較例1の単結晶試料について、以下の方法によりAサイト空孔の濃度及び酸素空孔濃度の測定を行った。
測定法 :誘導結合プラズマ原子発光分析(ICP−AES)法
測定装置:エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製 ICP発光分光分析装置 SPS−3100
測定結果:以下の表1に示す。
The orientation of the single crystal sample 1 and the single crystal sample of Comparative Example 1 was determined by an X-ray diffraction experiment, and the single crystal sample was cut out so that an electric field could be applied to the [100] orientation, and platinum electrodes were sputtered on the upper and lower surfaces of the cut out crystal. Provided by law. A step cutter MC-171 manufactured by Maruto Co., Ltd. was used for cutting. The size of the sample used for the measurement is approximately 1 mm square on the electrode surface and 0.1-0.2 mm in thickness. Therefore, a voltage is applied to a sample having a thickness of 0.1-0.2 mm. With respect to the single crystal sample 1 and the single crystal sample of Comparative Example 1 processed as described above, the concentration of A-site vacancies and the concentration of oxygen vacancies were measured by the following methods.
Measuring method: Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) method Measuring device: ICP emission spectroscopic analyzer SPS-3100 manufactured by SII Nanotechnology Co., Ltd.
Measurement results: Table 1 below.

Figure 2020004670
Figure 2020004670

なお、ペロブスカイト型構造体ABXの組成式(Aサイト数1、Bサイト数1、Xサイト数3)に示されているように、表1に示されたAサイト空孔濃度は、Aサイト数(1)とBi、Na、Baの物質量比から計算される。具体的には、(1−(Bi、Na、Baの物質量比の合計))である。As shown in the composition formula of the perovskite-type structure ABX 3 (number of A sites 1, number of B sites 1, number of X sites 3), the A site vacancy concentration shown in Table 1 is the A site. It is calculated from the number (1) and the substance amount ratio of Bi, Na, and Ba. Specifically, it is (1- (total of substance amount ratios of Bi, Na, and Ba)).

・AgNbO単結晶(単結晶試料2)
測定試料は、チョクラルスキー(Czochralski, Cz)法により作製した。本単結晶試料2の育成は、Po=0.9MPaで行った。また、比較例として、静置徐冷法により、Po=0.1MPaでの育成も行った(以後、比較例2という)。
-AgNbO 3 single crystal (single crystal sample 2)
The measurement sample was prepared by the Czochralski (Cz) method. The growth of the single crystal sample 2 was carried out at Po 2 = 0.9 MPa. In addition, as a comparative example , the growth was carried out at Po 2 = 0.1 MPa by the static slow cooling method (hereinafter referred to as Comparative Example 2).

上記単結晶試料2及び比較例2の単結晶試料は、単結晶試料1及び比較例1の単結晶試料と同様にして、X線回折実験により方位を決定し、[110]方位に電場を印加できるように切り出し、切り出した結晶の上面と下面に白金電極をスパッタリング法により設けた(サイズは、単結晶試料1及び比較例1の単結晶試料と同じ)。以上のように加工した単結晶試料2及び比較例2の単結晶試料について、以下の方法によりAサイト空孔の濃度及び酸素空孔濃度の測定を行った。
測定法 :蛍光X線分析(XRF)法
測定装置:株式会社リガク製 走査型蛍光X線分析装置 ZSX Primus III
測定結果:以下の表2に示す。
The orientation of the single crystal sample 2 and the single crystal sample of Comparative Example 2 was determined by an X-ray diffraction experiment in the same manner as the single crystal sample 1 and Comparative Example 1, and an electric field was applied to the [110] orientation. It was cut out as much as possible, and platinum electrodes were provided on the upper surface and the lower surface of the cut out crystal by a sputtering method (the size is the same as that of the single crystal sample 1 and the single crystal sample of Comparative Example 1). With respect to the single crystal sample 2 and the single crystal sample of Comparative Example 2 processed as described above, the concentration of A-site vacancies and the concentration of oxygen vacancies were measured by the following methods.
Measuring method: X-ray fluorescence analysis (XRF) method Measuring device: Scanning fluorescent X-ray analyzer ZSX Primus III manufactured by Rigaku Co., Ltd.
Measurement results: Table 2 below.

Figure 2020004670
Figure 2020004670

なお、表2に示されたAサイト空孔濃度は、Agの空孔濃度である。具体的には、(1−Agの物質量比)である。 The A-site vacancy concentration shown in Table 2 is the vacancy concentration of Ag. Specifically, it is (amount of substance ratio of 1-Ag).

以上の表1、表2に示す通り、試料である単結晶の育成時における酸素分圧(Po)が高いほど、単結晶中の酸素空孔濃度が低下することがわかる。 As shown in Tables 1 and 2 above, it can be seen that the higher the oxygen partial pressure (Po 2 ) during the growth of the single crystal as a sample, the lower the oxygen vacancy concentration in the single crystal.

<分極ツイストの測定>
上記単結晶試料1及び比較例1([100]方位に電場を印加できるように切り出した試料(主面が1mm四方、厚さが0.1−0.2mm、白金電極付き))、並びに単結晶試料2及び比較例2([110]方位に電場を印加できるように切り出した試料(主面が1mm四方、厚さが0.1−0.2mm、白金電極付き))について、東陽テクニカ株式会社製強誘電体測定システム(Toyo 6252 Rev. B)を用い、25℃における分極Pの電場E依存性(電場Eの変化に対する分極Pの変化の関係)を測定した。本測定では、印加電場Eの周波数を1Hzとし、1000点程度のデータセットを測定した。
<Measurement of polarization twist>
The single crystal sample 1 and Comparative Example 1 (a sample cut out so that an electric field can be applied in the [100] orientation (main surface is 1 mm square, thickness is 0.1-0.2 mm, with a platinum electrode)), and a single sample. Toyo Technica Co., Ltd. regarding crystal sample 2 and Comparative Example 2 (a sample cut out so that an electric field can be applied in the [110] direction (main surface is 1 mm square, thickness is 0.1-0.2 mm, and has a platinum electrode)). Using a ferroelectric measurement system (Toyo 6252 Rev. B) manufactured by the company, the dependence of the polarization P on the electric field E at 25 ° C. (the relationship between the change in the polarization P and the change in the electric field E) was measured. In this measurement, the frequency of the applied electric field E was set to 1 Hz, and a data set of about 1000 points was measured.

測定結果を、図4、図5に示す。図4(a)が比較例1の測定結果であり、図4(b)が単結晶試料1の測定結果である。また、図5(a)が比較例2の測定結果であり、図5(b)が単結晶試料2の測定結果である。 The measurement results are shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 4A is the measurement result of Comparative Example 1, and FIG. 4B is the measurement result of the single crystal sample 1. Further, FIG. 5 (a) is the measurement result of Comparative Example 2, and FIG. 5 (b) is the measurement result of the single crystal sample 2.

図4(b)では、電場の増加及び減少の過程で、電場が−30〜30kV/cmの範囲のときに分極Pが急激に立ち上がり及び立ち下がることが示されている。これは、単結晶試料1に分極ツイストが発現し、電場の変化に応じて分極Pが大きく変化したことを示している。 FIG. 4B shows that in the process of increasing and decreasing the electric field, the polarization P rapidly rises and falls when the electric field is in the range of -30 to 30 kV / cm. This indicates that the polarization twist was expressed in the single crystal sample 1, and the polarization P changed significantly in response to the change in the electric field.

一方、図4(a)では、電場の増加及び減少の過程で、ほぼ電場の変化に対して直線的に分極Pが変化している。これは、比較例1の単結晶試料に分極ツイストが発現しない(し難い)ことを示している。 On the other hand, in FIG. 4A, the polarization P changes substantially linearly with the change in the electric field in the process of increasing and decreasing the electric field. This indicates that the polarization twist does not appear (difficultly) in the single crystal sample of Comparative Example 1.

また、図5(b)でも、電場の増加及び減少の過程で、電場が−100〜0kV/cm及び0〜100kV/cmの2つの範囲で分極Pが急激に立ち上がり及び立ち下がることが示されている。これは、単結晶試料2に分極ツイストが発現し、電場の変化に応じて分極Pが大きく変化したことを示している。 Further, also in FIG. 5 (b), it is shown that the polarization P rapidly rises and falls in the two ranges of -100 to 0 kV / cm and 0 to 100 kV / cm in the process of increasing and decreasing the electric field. ing. This indicates that the polarization twist was expressed in the single crystal sample 2, and the polarization P changed significantly in response to the change in the electric field.

一方、図5(a)では、電場の増加及び減少の過程で、ほぼ電場の変化に対して直線的に分極Pが変化している。これは、比較例2の単結晶試料に分極ツイストが発現しない(し難い)ことを示している。 On the other hand, in FIG. 5A, the polarization P changes substantially linearly with the change in the electric field in the process of increasing and decreasing the electric field. This indicates that the polarization twist does not appear (difficultly) in the single crystal sample of Comparative Example 2.

以上の結果から、単結晶中の酸素空孔濃度が1%以下である単結晶試料1、単結晶試料2では分極ツイストが発現するが、酸素空孔濃度が1%を超えている比較例1、比較例2では、分極ツイストが発現しない(し難い)ことがわかる。 From the above results, Polarization twist is expressed in the single crystal sample 1 and the single crystal sample 2 in which the oxygen vacancy concentration in the single crystal is 1% or less, but the oxygen vacancy concentration exceeds 1% in Comparative Example 1. In Comparative Example 2, it can be seen that the polarization twist does not occur (it is difficult).

実施例2.分極ツイストの効果
<分極ツイストを示す誘電体材料の作製>
・(Bi0.96Na0.5)TiO−7%BaTiOの単結晶試料の作製
本単結晶試料(以後、単結晶試料3という)は、上記非特許文献1に記されているTSSG法(top seeded solution growth 溶液引き上げ法)により育成した。なお、本単結晶の育成は高圧酸素下(Po=1MPa)で行った(酸素ガスは株式会社鈴木商館製の純度99.9 vol.%)。
Example 2. Effect of polarization twist <Preparation of dielectric material showing polarization twist>
· (Bi 0.96 Na 0.5) Preparation present single crystal sample of single crystal sample of TiO 3 -7% BaTiO 3 (hereinafter referred to as a single crystal sample 3) are described in Non-Patent Document 1 TSSG It was grown by the method (top seeded solution growth method). The single crystal was grown under high pressure oxygen (Po 2 = 1 MPa) (oxygen gas was manufactured by Suzuki Shokan Co., Ltd. with a purity of 99.9 vol.%).

・(Ag0.96Li0.04)NbOの単結晶試料の作製
本単結晶試料(以後、単結晶試料4という)は、Japanese Journal of Applied Physics 55, 10TB03 (2016)に記されているCz法(Czochralski法)により育成した。なお、出発原料として上記文献に記載されたAgNbOの替わりにAg0.96Li0.04NbO粉末を用いた。また、Cz法による結晶育成に際し、Agを4%程度過剰に添加した。また、本単結晶の育成も高圧酸素下(Po=1MPa)で行った(酸素ガスは株式会社鈴木商館製の純度99.9 vol.%)。
-Preparation of (Ag 0.96 Li 0.04 ) NbO 3 single crystal sample This single crystal sample (hereinafter referred to as single crystal sample 4) is described in the Japanese Journal of Applied Physics 55, 10TB03 (2016). It was grown by the Cz method (Czochralski method). Incidentally, with Ag 0.96 Li 0.04 NbO 3 powder instead of AgNbO 3 described in the above document as a starting material. Further, when the crystals were grown by the Cz method, about 4% of Ag was excessively added. The single crystal was also grown under high pressure oxygen (Po 2 = 1 MPa) (oxygen gas was manufactured by Suzuki Shokan Co., Ltd. with a purity of 99.9 vol.%).

<電気感受率χ及び圧電ひずみ定数dの測定用試料の作製及び評価>
得られた上記単結晶試料の方位をX線回折実験により決定し、単結晶試料3の場合には[001]方位に、単結晶試料4の場合には[011]方位に電場を印加できるように切り出し、切り出した結晶の上面と下面に白金電極をスパッタリング法により設けた。切出しには、株式会社マルトー製ステップカッターMC−171を使用した。なお、測定に供した試料のサイズは、およそ電極面が1mm四方、厚さが0.1−0.2mmである。従って、厚さ0.1−0.2mmの試料に電圧を印加している。
<Preparation and evaluation of samples for measurement of electric susceptibility χ and piezoelectric strain constant d>
The orientation of the obtained single crystal sample is determined by an X-ray diffraction experiment, and an electric field can be applied to the [001] orientation in the case of the single crystal sample 3 and the [011] orientation in the case of the single crystal sample 4. Platinum electrodes were provided on the upper surface and the lower surface of the cut crystal by a sputtering method. A step cutter MC-171 manufactured by Maruto Co., Ltd. was used for cutting. The size of the sample used for the measurement is approximately 1 mm square on the electrode surface and 0.1-0.2 mm in thickness. Therefore, a voltage is applied to a sample having a thickness of 0.1-0.2 mm.

電気感受率χを評価するにあたり、分極Pの電場E依存性(電場Eの変化に対する分極Pの変化の関係)を、東陽テクニカ株式会社製強誘電体測定システム(Toyo 6252 Rev. B)を用いて測定した。また、圧電ひずみ定数dを評価するにあたり、歪みSの電場E依存性(電場Eの変化に対する歪みSの変化の関係)を、ネオアーク株式会社製光ヘテロダイン微小振動測定装置(MLD−221V−STN RP)を用いて測定した。また、歪みSの電場E依存性は分極Pの電場E依存性と同時に測定した。両測定ともに、印加電場Eの周波数は1Hzとして、電場Eの増加時に得られた分極Pと歪みSのデータから次のようにして電気感受率χと圧電ひずみ定数dを評価した。なお、分極Pと歪みSともに、それぞれ1000点程度のデータセットを測定した。 In evaluating the electric susceptibility χ, the electric field E dependence of the polarization P (the relationship between the change in the polarization P and the change in the electric field E) was determined using a ferroelectric measurement system (Toyo 6252 Rev. B) manufactured by Toyo Technica Co., Ltd. Was measured. Further, in evaluating the piezoelectric strain constant d, the dependence of the strain S on the electric field E (the relationship between the change in the strain S and the change in the electric field E) was determined by the optical heterodyne micro-vibration measuring device (MLD-221V-STN RP) manufactured by NeoArc Corporation. ) Was used for measurement. The electric field E dependence of the strain S was measured at the same time as the electric field E dependence of the polarization P. In both measurements, the frequency of the applied electric field E was set to 1 Hz, and the electric susceptibility χ and the piezoelectric strain constant d were evaluated from the data of the polarization P and the strain S obtained when the electric field E increased as follows. A data set of about 1000 points was measured for both the polarization P and the strain S.

電気感受率χは、∂P/∂E=εχの関係式を用いて、分極Pの電場E依存性におけるデータ点(10点)の傾きから、電気感受率χの電場E依存性を評価した。同様に、圧電歪み定数dは、∂S/∂E=dの関係式を用いて、歪みSの電場E依存性のデータ点(10点)の電場Eに対する傾きから、圧電歪み定数dの電場E依存性を評価した。The electric susceptibility χ uses the relational expression of ∂P / ∂E = ε 0 χ to determine the electric field E dependence of the electric susceptibility χ from the inclination of the data points (10 points) in the electric field E dependence of the polarization P. evaluated. Similarly, the piezoelectric strain constant d is the electric field of the piezoelectric strain constant d from the slope of the electric field E-dependent data points (10 points) of the strain S with respect to the electric field E, using the relational expression of ∂S / ∂E = d. E-dependency was evaluated.

以上のようにして測定した結果は、単結晶試料3の場合を図6に、単結晶試料4の場合を図7に示す。 The results of the measurements as described above are shown in FIG. 6 for the single crystal sample 3 and in FIG. 7 for the single crystal sample 4.

<電場が変化したときの回転角度ωと分極との関係の測定>
上記単結晶試料3を[001]方位に電場を印加できるように切り出した試料(主面が1mm四方、厚さが0.1−0.2mm、白金電極付き、図6の測定試料と同じ)に、大型放射光施設SPring−8のビームラインBL02B1を用いて、35keV単色X線[波長:0.035313nm]を照射し、上記単結晶試料3のX線回折データを取得し、酸素八面体の回転角度ωを求めた。この場合、X線回折データの測定は、図6における電気感受率χの評価にあたり行った、分極Pの電場Eに対する依存性の測定と同様に、[001]方位に電場Eを印加した状態で行った。
<Measurement of the relationship between rotation angle ω and polarization when the electric field changes>
A sample obtained by cutting out the single crystal sample 3 so that an electric field can be applied in the [001] direction (main surface is 1 mm square, thickness is 0.1-0.2 mm, with platinum electrode, same as the measurement sample in FIG. 6). The beamline BL02B1 of the large-scale radiation facility SPring-8 was used to irradiate 35 keV single-color X-rays [wavelength: 0.035313 nm], and the X-ray diffraction data of the single crystal sample 3 was acquired to obtain the X-ray diffraction data of the oxygen octahedron. The rotation angle ω was calculated. In this case, the measurement of the X-ray diffraction data is performed in the state where the electric field E is applied in the [001] direction, as in the measurement of the dependence of the polarization P on the electric field E, which was performed in the evaluation of the electric susceptibility χ in FIG. went.

以上のようにして得られた酸素八面体回転角度ωを横軸に、上記図6における分極Pの電場Eの依存性の測定から得られた分極Pを縦軸にプロットして図8を得た。従って、図8では、電場Eが変化したときの回転角度ωと分極Pとの関係が示されている。 The oxygen octahedron rotation angle ω obtained as described above is plotted on the horizontal axis, and the polarization P obtained from the measurement of the dependence of the polarization P on the electric field E in FIG. 6 is plotted on the vertical axis to obtain FIG. rice field. Therefore, FIG. 8 shows the relationship between the rotation angle ω and the polarization P when the electric field E changes.

X線回折データの測定の詳細は以下の通りである。 The details of the measurement of the X-ray diffraction data are as follows.

・電場Eの増加時1(Eが0→20kV/cmの低電場、結晶相は低電場相P4bmのフェリ誘電相)
電場Eをゼロから増加させると、酸素八面体の回転角度ωが3°程度から徐々に小さくなり、これに伴い、図8に示されるように、分極Pは大きく増加する。回転角度ωが減少するほど、分極Pは大きくなる。この場合の誘電体材料(単結晶試料3)の結晶相は、低電場相である空間群がP4bmのフェリ誘電相(フェリ誘電P4bm相)となっている。
・ When the electric field E increases 1 (E is a low electric field of 0 → 20 kV / cm, the crystal phase is a ferri-dielectric phase of the low electric field phase P4 bm)
When the electric field E is increased from zero, the rotation angle ω of the oxygen octahedron gradually decreases from about 3 °, and the polarization P increases significantly as shown in FIG. As the rotation angle ω decreases, the polarization P increases. In this case, the crystal phase of the dielectric material (single crystal sample 3) is a ferri-dielectric phase (feri-dielectric P4 mb phase) having a space group of P4 mb, which is a low electric field phase.

分極Pの電場E依存性の傾き∂P/∂Eが電気感受率χに比例するため、電場Eが大きくなると、電気感受率χは大きく増大する。これは、図6の電場Eがゼロから20kV/cm程度まで増加すると、電気感受率χが大きく増大することに対応する。 Since the slope ∂P / ∂E of the polarization P dependence on the electric field E is proportional to the electric susceptibility χ, the electric susceptibility χ increases significantly as the electric field E increases. This corresponds to a large increase in the electric susceptibility χ when the electric field E in FIG. 6 increases from zero to about 20 kV / cm.

・電場Eの増加時2(Eが20→100kV/cmの高電場、結晶相は高電場相P4mmの強誘電相)
電場Eを20kV/cmを超えて、さらに増加させると、図8に示されるように、高電場相である空間群がP4mmの強誘電相(強誘電P4mm相)に相転移する。強誘電P4mm相は酸素八面体の回転をもたないため、その回転角度ωはゼロになる。従って、図8の電場Eが大きい領域では。ω=0となる。高電場相では、電場Eを増加させても分極Pはあまり変化しない。これは、電気感受率χが電場Eに依存しないことと等価である。このことは、図6の電場Eが大きい領域で観測されている。
・ When the electric field E increases 2 (E is a high electric field of 20 → 100 kV / cm, the crystal phase is a high electric field phase P4 mm ferroelectric phase)
When the electric field E is further increased beyond 20 kV / cm, as shown in FIG. 8, the space group, which is a high electric field phase, undergoes a phase transition to a ferroelectric phase of P4 mm (ferroelectric P4 mm phase). Since the ferroelectric P4 mm phase does not rotate the oxygen octahedron, its rotation angle ω becomes zero. Therefore, in the region where the electric field E in FIG. 8 is large. ω = 0. In the high electric field phase, the polarization P does not change much even if the electric field E is increased. This is equivalent to the fact that the electric susceptibility χ does not depend on the electric field E. This is observed in the region where the electric field E in FIG. 6 is large.

・電場Eの減少時1(Eが100→10kV/cmの高電場、結晶相は高電場相P4mmの強誘電相)
電場Eを低下させても、高電場相P4mmのままであるため、回転角度ωはゼロのままである。また、高電場相の分極Pも大きいままである。
・ When the electric field E decreases 1 (E is a high electric field of 100 → 10 kV / cm, the crystal phase is a high electric field phase P4 mm ferroelectric phase)
Even if the electric field E is lowered, the rotation angle ω remains zero because the high electric field phase P4 mm remains. Also, the polarization P of the high electric field phase remains large.

・電場Eの減少時2(Eが10→0kV/cmの低電場、結晶相は低電場相P4bmのフェリ誘電相)
電場Eが10kV/cm以下になると、フェリ誘電P4bmへ相転移する。なお、フェリ誘電相と強誘電相との相転移電場は、電場増加時では20kV/cm程度、電場減少時では3−10kV/cmと異なる。フェリ誘電P4bmでは、電場Eが小さくなると回転角度ωは大きくなり、分極Pは減少する。そして、電場Eがゼロになると、酸素八面体回転角度ωは3度となり、もとの構造に戻る。
・ When the electric field E decreases 2 (E is a low electric field of 10 → 0 kV / cm, the crystal phase is a ferri-dielectric phase of the low electric field phase P4 bm)
When the electric field E becomes 10 kV / cm or less, the phase transition to the ferric dielectric P4 bm occurs. The phase transition electric field between the ferri dielectric phase and the strong dielectric phase is different from about 20 kV / cm when the electric field increases and 3-10 kV / cm when the electric field decreases. In the ferri-dielectric P4bm, when the electric field E becomes smaller, the rotation angle ω becomes larger and the polarization P decreases. Then, when the electric field E becomes zero, the oxygen octahedron rotation angle ω becomes 3 degrees, and the original structure is restored.

上記図6〜図8に示されるとおり、印加される電場が20kV/cm以下である場合、分極ツイストにより電場の変化に対する誘電率ε(分極P)と圧電歪み定数dとを大きく変化させることができる。このため、キャパシタや圧電素子の特性(静電容量、歪み量S)を大きく変化させることができる。 As shown in FIGS. 6 to 8 above, when the applied electric field is 20 kV / cm or less, the dielectric constant ε (polarization P) and the piezoelectric strain constant d with respect to the change in the electric field can be significantly changed by the polarization twist. can. Therefore, the characteristics (capacitance, strain amount S) of the capacitor and the piezoelectric element can be significantly changed.

実施例3.セラミックスの製造
図9の工程に従い、原料として、酸化ビスマス(Bi)、炭酸ナトリウム(NaCO)、炭酸バリウム(BaCO)、酸化チタン(TiO)および酸化銅(CuO)を110℃、12時間以上乾燥(アズワン株式会社製定温乾燥機DOV-450A)させ、株式会社UNICO製グローブボックス(UN−800L)内で精密秤量(ザルトリウス・ジャパン株式会社製電子天秤PRACTUM513−1SJPを使用)した。それぞれの重量比は、(Bi):(NaCO):(BaCO):(TiO):(CuO)=116.49×(1−x+δ):26.50×(1−x−3δ):197.34×x:79.79:0.080となるようにした。ただし、δはAサイト空孔の量(モル分率)であり、xはBaの量(モル分率)である。
Example 3. Manufacture of Ceramics According to the process shown in Fig. 9, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), barium carbonate (BaCO 3 ), titanium oxide (TIO 2 ) and copper oxide (CuO) are used as raw materials. Dry at 110 ° C for 12 hours or more (DOV-450A constant temperature dryer manufactured by AS ONE Co., Ltd.) and use precision weighing (electronic balance PRACTUM513-1SJP manufactured by Sartorius Japan Co., Ltd.) in a globe box (UN-800L) manufactured by UNICO Co., Ltd. )did. The weight ratio of each is (Bi 2 O 3 ) :( Na 2 CO 3 ) :( BaCO 3 ) :( TiO 2 ) :( CuO) = 116.49 × (1-x + δ): 26.50 × (1). −X-3δ): 197.34 × x: 79.79: 0.080. However, δ is the amount of A-site vacancies (mole fraction), and x is the amount of Ba (mole fraction).

上記秤量した原料粉末を粉砕混合(フリッチュ・ジャパン株式会社製 遊星型ボールミルP-5使用)し、空気中で800℃、4時間仮焼成を行った。その後、バインダーとしてPMMAを混合した。その後、150MPaの成形圧力にて一軸加圧プレス(エナパック株式会社製 油圧プレスWMP−5を使用)の後に同圧力で等方加圧プレス(エヌピーエーシステム株式会社製 冷間静水等方圧プレス機CPP−25を使用)を行って円筒状またはコイン状にプレス成形した。その後、空気中で1195℃、4時間本焼成を行い、セラミックスを製造した。 The weighed raw material powder was pulverized and mixed (using a planetary ball mill P-5 manufactured by Fritsch Japan Co., Ltd.), and calcined in air at 800 ° C. for 4 hours. Then, PMMA was mixed as a binder. After that, a uniaxial pressure press (using a hydraulic press WMP-5 manufactured by NAPAC Co., Ltd.) at a molding pressure of 150 MPa and then an isotropic pressure press at the same pressure (cold hydrostatic isobaric press machine manufactured by NPA System Co., Ltd.) CPP-25 was used) and press-molded into a cylindrical shape or a coin shape. Then, it was fired in air at 1195 ° C. for 4 hours to produce ceramics.

製造したセラミックスを構成するペロブスカイト型酸化物の組成は、
(Bi(1−x+δ)/2Na(1−x−3δ)/2Baδ)(Ti0.999Cu0.001)O
であり、上記原料の重量及び焼成時の酸素濃度を調整してAサイト空孔の量(モル分率)δ及びBaの量(モル分率)xを制御した。例えば、原料重量をそれぞれ15.279g(Bi)、3.416g(NaCO)、1.940g(BaCO)、11.205g(TiO)および0.011g(CuO)とし、焼成を空気中で行うことによって、x=7%、δ=0.40%の試料を作製した。上記δ及びxの測定には、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製 ICP発光分光分析装置 SPS−3100を使用し、誘導結合プラズマ原子発光分析(ICP−AES)法により測定した。
The composition of the perovskite-type oxides that make up the manufactured ceramics is
(Bi (1-x + δ) / 2 Na (1-x-3δ) / 2 Ba xδ ) (Ti 0.999 Cu 0.001 ) O 3
The weight of the raw material and the oxygen concentration at the time of firing were adjusted to control the amount of A-site pores (mole fraction) δ and the amount of Ba (mole fraction) x. For example, the raw material weights are 15.279 g (Bi 2 O 3 ), 3.416 g (Na 2 CO 3 ), 1.940 g (BaCO 3 ), 11.205 g (TiO 2 ) and 0.011 g (CuO), respectively. By calcining in air, samples of x = 7% and δ = 0.40% were prepared. The ICP emission spectroscopic analyzer SPS-3100 manufactured by SII Nanotechnology Co., Ltd. was used for the measurement of δ and x, and the measurement was performed by the inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) method.

実施例4.
実施例3の方法により上記xを7%とし、δをそれぞれ0.00%、0.75%及び1.00%としたセラミックスを製造し、東陽テクニカ株式会社製強誘電体測定システム(MODEL 6252 Rev. B)を用い、25℃における分極Pの電場E依存性(電場Eの変化に対する分極Pの変化の関係であり、P−E曲線ということがある)を測定した。本測定では、印加電場Eの周波数を1Hzとし、1000点程度のデータセットを測定した。なお、測定試料としては、プレス成形により成形した、面内サイズ3mm×6mm角程度、厚さ0.1〜0.2mm程度の板状試料を使用した。
Example 4.
Ceramics having the above x of 7% and δ of 0.00%, 0.75% and 1.00%, respectively, were produced by the method of Example 3, and a ferroelectric measurement system manufactured by Toyo Corporation (MODEL 6252) was manufactured. Using Rev. B), the dependence of polarization P on electric field E at 25 ° C. (the relationship between the change in polarization P and the change in electric field E, sometimes referred to as the PE curve) was measured. In this measurement, the frequency of the applied electric field E was set to 1 Hz, and a data set of about 1000 points was measured. As the measurement sample, a plate-shaped sample having an in-plane size of about 3 mm × 6 mm square and a thickness of about 0.1 to 0.2 mm, which was formed by press molding, was used.

測定結果のP−E曲線を図10(a)、(b)、(c)に示す。図10(a)がδ=0.00%の場合、(b)がδ=0.75%の場合、(c)がδ=1.00%の場合のP−E曲線である。各P−E曲線は、上記1000点程度のデータセットをプロットしたものである。なお、図10(a)、(b)、(c)の縦軸が分極Pを示し、横軸が印加電場Eを示している。また、各図のPrは残留分極(E=0を横切る分極値であって電場オフの状態で試料が保持している分極量)である。 The PE curves of the measurement results are shown in FIGS. 10A, 10B, and 10C. FIG. 10 (a) is a PE curve when δ = 0.00%, (b) is δ = 0.75%, and (c) is δ = 1.00%. Each PE curve is a plot of the above-mentioned data set of about 1000 points. The vertical axis of FIGS. 10A, 10B, and 10C shows the polarization P, and the horizontal axis shows the applied electric field E. Further, Pr in each figure is a residual polarization (a polarization value across E = 0 and a polarization amount held by the sample in a state where the electric field is off).

図10(a)の場合は、常時強誘電相(P4mm)が維持されている。これは、x=7%の場合において空孔量δを0.00%とした効果である。これに対して、図10(b)、(c)では、4個の変曲点(図中に○印で示す)において、強誘電相(P4mm)とフェリ誘電相(P4bm)との間で相転移が起こっている。図10(b)、(c)の場合、δの値が大きくなるに従い、分極P=0μC/cm付近におけるP−E曲線のくびれが大きくなり、フェリ誘電相の領域が広がっている。In the case of FIG. 10A, the ferroelectric phase (P4 mm) is always maintained. This is an effect of setting the pore amount δ to 0.00% when x = 7%. On the other hand, in FIGS. 10 (b) and 10 (c), between the ferroelectric phase (P4 mm) and the ferri dielectric phase (P4 bm) at the four inflection points (indicated by circles in the figure). A phase transition is occurring. In the cases of FIGS. 10 (b) and 10 (c), as the value of δ increases, the constriction of the PE curve near the polarization P = 0 μC / cm 2 increases, and the region of the ferri-dielectric phase expands.

図11(a)、(b)、(c)には、さらにδの値を大きくした場合のP−E曲線が示される。図11(a)がδ=1.20%の場合、(b)がδ=1.50%の場合、(c)がδ=1.80%の場合のP−E曲線である。図11(a)、(b)、(c)においても、δの値の増加とともにP−E曲線のくびれがより大きくなり(フェリ誘電相の領域が広がり)つつ、4個の変曲点(図中に○印で示す)において、強誘電相(P4mm)とフェリ誘電相(P4bm)との間で相転移が起こっている。 11 (a), (b), and (c) show the PE curve when the value of δ is further increased. 11 (a) is a PE curve when δ = 1.20%, (b) is δ = 1.50%, and (c) is δ = 1.80%. Also in FIGS. 11A, 11B, and 11C, the constriction of the PE curve becomes larger (the region of the ferrielectric phase expands) as the value of δ increases, and the four inflection points ( In (indicated by a circle in the figure), a phase transition occurs between the ferroelectric phase (P4 mm) and the ferri dielectric phase (P4 bm).

図12には、強誘電相(P4mm)とフェリ誘電相(P4bm)との間で相転移が起こる電場とAサイト空孔の量δとの関係が示される。図12の縦軸が相転移が起こる電場Ethresholdであり、横軸がδである。FIG. 12 shows the relationship between the electric field in which a phase transition occurs between the ferroelectric phase (P4 mm) and the ferri dielectric phase (P4 bm) and the amount δ of A-site vacancies. An electric field E threshold The axis of ordinate is the phase transition occurs in FIG. 12, the horizontal axis is [delta].

図12の関係は、図10(a)、(b)、(c)及び図11(a)、(b)、(c)に示された変曲点(○印)の内、左上の肩(Suで示す)と右下の肩(Slで示す)の変曲点における電場Eとδとをプロットしたものである。図12において、上記Suのプロットが菱形(◆)で示され、Slのプロットが四角(■)で示される。図12に示されるように、電場Eに対する強誘電相(P4mm)とフェリ誘電相(P4bm)の安定な範囲が、空孔の量δによって変化していることがわかる。 The relationship of FIG. 12 is the upper left shoulder of the inflection points (○ marks) shown in FIGS. 10 (a), (b), (c) and 11 (a), (b), (c). It is a plot of the electric fields E and δ at the inflection points of (indicated by Su) and the lower right shoulder (indicated by Sl). In FIG. 12, the Su plot is indicated by a diamond (◆) and the Sl plot is indicated by a square (■). As shown in FIG. 12, it can be seen that the stable range of the ferroelectric phase (P4 mm) and the ferri dielectric phase (P4 bm) with respect to the electric field E changes depending on the amount of pores δ.

実施例5.
図13には、上記δ=0.75%、x=12%の場合のP−E曲線が示される。図13に示されるように、上記δ及びxの値の組合せでは、セラミックスは常時強誘電相(P4mm)が維持されている。
Example 5.
FIG. 13 shows the PE curve when δ = 0.75% and x = 12%. As shown in FIG. 13, in the combination of the values of δ and x, the ceramic always maintains a ferroelectric phase (P4 mm).

図14(a)、(b)には、図13のA点、B点間で電場Eを変化させた場合の、分極P、電気感受率χ(E)(ただし、∂P/∂E=εχ(E))が示される。14 (a) and 14 (b) show the polarization P and the electric susceptibility χ (E) when the electric field E is changed between the points A and B in FIG. 13 (however, ∂P / ∂E = ε 0 χ (E)) is shown.

図14(a)、(b)に示されるように、印加される電場Eが変動しても、強誘電体であるセラミックスは、分極Pの勾配すなわち電気感受率χ(E)が一定であり、比誘電率ε=1+χ(E)も一定である(電場Eに依存しない)ことがわかる。As shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b), even if the applied electric field E fluctuates, the gradient of the polarization P, that is, the electric susceptibility χ (E) is constant in the ceramics which are ferroelectrics. It can be seen that the relative permittivity ε r = 1 + χ (E) is also constant (it does not depend on the electric field E).

図15には、上記δ=1.50%、x=8%の場合のP−E曲線が示される。図15に示されるように、上記δ及びxの値の組合せでは、セラミックスは4個の変曲点(図中に○印で示す)において、強誘電相(P4mm)とフェリ誘電相(P4bm)との間で相転移が起こっている。 FIG. 15 shows the PE curve when δ = 1.50% and x = 8%. As shown in FIG. 15, in the combination of the values of δ and x, the ceramics have a ferroelectric phase (P4 mm) and a ferri dielectric phase (P4 bm) at four inflection points (indicated by ○ in the figure). A phase transition is occurring between and.

図16(a)、(b)には、図15のA点、B点間で電場Eを変化させた場合の、分極P、電気感受率χ(E)(ただし、∂P/∂E=εχ(E))が示される。16 (a) and 16 (b) show the polarization P and the electric susceptibility χ (E) when the electric field E is changed between the points A and B in FIG. 15 (however, ∂P / ∂E = ε 0 χ (E)) is shown.

図15に示されるように、印加される電場Eの変動に応じて、相転移が生じているので、図16(a)において、電場ゼロではフェリ誘電相の状態にある。電場Eを大きくすると○印で示す点で強誘電相へ相転移する。さらに大きい電場領域では、強誘電相状態が安定化されている。B点(強誘電相)から電場強度を小さくすると、○印で示す点の電場でフェリ誘電相へ相転移し、ゼロ電場でもフェリ誘電相のままである。 As shown in FIG. 15, since the phase transition occurs according to the fluctuation of the applied electric field E, in FIG. 16A, the electric field is zero and the phase is in the ferri-dielectric phase. When the electric field E is increased, the phase transitions to the ferroelectric phase at the points indicated by ○. In the larger electric field region, the ferroelectric phase state is stabilized. When the electric field strength is reduced from the point B (strong dielectric phase), the phase transitions to the ferri dielectric phase at the electric field indicated by the circle, and the phase remains the ferri dielectric phase even at the zero electric field.

また、図16(b)に示されるように、A点から印加電場Eを高くしていくと、フェリ誘電相(P4bm)の状態では電気感受率χ(E)が増加し、比誘電率ε=1+χ(E)も増加する(電気的増強誘電率と表記)。さらに印加電場Eを高くし、B点に接近して行く過程で、フェリ誘電相(P4bm)から強誘電相(P4mm)に相転移し、電気感受率χ(E)も比誘電率ε=1+χ(E)も一定となる(電場Eに依存しない)。Further, as shown in FIG. 16B, when the applied electric field E is increased from the point A, the electric susceptibility χ (E) increases in the state of the ferri dielectric phase (P4bm), and the relative permittivity ε. r = 1 + χ (E) also increases (denoted as electrically enhanced permittivity). In the process of further increasing the applied electric field E and approaching point B, the phase transitions from the ferri-dielectric phase (P4bm) to the ferroelectric phase (P4mm), and the electric susceptibility χ (E) also has a relative permittivity ε r = 1 + χ (E) is also constant (it does not depend on the electric field E).

図17(a)、(b)には、上記δ=0.40%、x=7%の場合のP−E曲線が示される。上記δ及びxの値の組み合わせでは、図17(a)のP−E曲線に示されるように、最初に電場Eを印加した場合には、as-prepared(電場Eが印加されていない状態(電場印加前)から最初に電場Eを印加した場合)のA点(フェリ誘電相(P4bm))から印加電場Eを高くして行くと、P−E曲線の変曲点で強誘電相(P4mm)に相転移する。印加電場Eが60kV/cm(B点)に達したところで印加電場Eを下げて行くと、図17(a)のpoled(一旦電場を印加した後の試料)のC点(強誘電相)までP−E曲線が推移する。その後は、一旦電場を印加した後の試料(poled)のP−E曲線として、図17(b)に従ってP−E曲線が推移する。図17(b)に示されるように、印加電場Eを低下させ、−97kV/cm(D点)に達したところで印加電場Eを上げて行くと、印加電場Eが0kV/cmでE点を通過し、さらに20kV/cmで分極Pが0μC/cmのF点を通過し、上記図17(a)のB点よりも電場Eが高い97kV/cmでG点に到達し、以後同様のP−E曲線(GCDEFの点を通過する曲線)が繰り返される。図17(b)に示されたP−E曲線では、上記E点からF点まで移行する際の変曲点(○印で示す)で強誘電相(P4mm)からフェリ誘電相(P4bm)への相転移が起こり、F点からG点まで移行する際の変曲点(○印で示す)でフェリ誘電相(P4bm)から強誘電相(P4mm)への相転移が起こっている。なお、上記F点に到達したときに、印加電場Eを0kV/cmとすると、図17(a)のA点に戻り、図17(a)に示されたP−E曲線に従って推移する。17 (a) and 17 (b) show the PE curve when δ = 0.40% and x = 7%. In the combination of the values of δ and x, as shown in the PE curve of FIG. 17 (a), when the electric field E is first applied, as-prepared (the state in which the electric field E is not applied) (the state in which the electric field E is not applied). When the applied electric field E is increased from point A (ferridielectric phase (P4bm)) at the point A (when the electric field E is first applied from before the application of the electric field), the ferroelectric phase (P4mm) is at the bending point of the PE curve. ). When the applied electric field E reaches 60 kV / cm (point B), the applied electric field E is lowered until the point C (ferroelectric phase) of the polled (sample after the electric field is applied once) in FIG. 17 (a). The PE curve changes. After that, the PE curve changes according to FIG. 17B as the PE curve of the sample (poled) after the electric field is once applied. As shown in FIG. 17B, when the applied electric field E is lowered and the applied electric field E is raised when it reaches −97 kV / cm (point D), the applied electric field E becomes 0 kV / cm and the point E is reached. After passing through, the polarization P passes through the F point of 0 μC / cm 2 at 20 kV / cm, and reaches the G point at 97 kV / cm where the electric field E is higher than the B point in FIG. The PE curve (the curve that passes through the point of GCDEF) is repeated. In the PE curve shown in FIG. 17 (b), from the strong dielectric phase (P4 mm) to the ferri dielectric phase (P4 bm) at the inflection point (indicated by a circle) when transitioning from the point E to the point F. The phase transition from the ferri dielectric phase (P4bm) to the strong dielectric phase (P4mm) occurs at the inflection point (indicated by a circle) at the transition from the F point to the G point. When the applied electric field E is set to 0 kV / cm when the point F is reached, the point returns to the point A in FIG. 17 (a) and changes according to the PE curve shown in FIG. 17 (a).

図18(a)、(b)には、図17(a)のA点、B点間で電場Eを変化させた場合の、分極P、電気感受率χ(E)(ただし、∂P/∂E=εχ(E))が示される。なお、図18(a)は、図17(a)と同一である。18 (a) and 18 (b) show the polarization P and the electric susceptibility χ (E) when the electric field E is changed between the points A and B in FIG. 17 (a) (however, ∂P / ∂E = ε 0 χ (E)) is shown. Note that FIG. 18A is the same as FIG. 17A.

図18(a)、(b)に示されるように、A点から印加電場Eを高くして行くと、フェリ誘電相(P4bm)の状態では電気感受率χ(E)が増加し、比誘電率ε=1+χ(E)も増加する(電気的増強誘電率と表記)。さらに印加電場Eを高くし、B点に接近して行く過程(20kV/cm以上)で、フェリ誘電相(P4bm)から強誘電相(P4mm)に相転移し、電気感受率χ(E)も比誘電率ε=1+χ(E)も一定となる(電場Eに依存しない)。As shown in FIGS. 18A and 18B, when the applied electric field E is increased from the point A, the electric susceptibility χ (E) increases in the ferri-dielectric phase (P4bm) state, and the relative permittivity increases. The rate ε r = 1 + χ (E) also increases (denoted as electrically enhanced permittivity). Furthermore, in the process of increasing the applied electric field E and approaching point B (20 kV / cm or more), the phase shifts from the ferri-dielectric phase (P4 bm) to the ferroelectric phase (P4 mm), and the electric susceptibility χ (E) also increases. The relative permittivity ε r = 1 + χ (E) is also constant (it does not depend on the electric field E).

なお、図17(a)において印加電場Eを上げると、B点では強誘電相(P4mm)に相転移し、以後は図17(b)に示されたP−E曲線で推移するので、図18(a)、(b)に示されたフェリ誘電相(P4bm)でセラミックスを使用する場合には、印加電場EをB点未満、具体的には20kV/cm程度よりも小さい電場に維持する必要がある。 When the applied electric field E is increased in FIG. 17 (a), the phase transitions to the ferroelectric phase (P4 mm) at point B, and thereafter, the phase transitions along the PE curve shown in FIG. 17 (b). When ceramics are used in the ferrielectric phase (P4bm) shown in 18 (a) and 18 (b), the applied electric field E is maintained at an electric field less than point B, specifically, an electric field smaller than about 20 kV / cm. There is a need.

図19(a)、(b)には、図17(b)のC点、G点間で電場Eを変化させた場合の、分極P、電気感受率χ(E)(ただし、∂P/∂E=εχ(E))が示される。19 (a) and 19 (b) show the polarization P and the electric susceptibility χ (E) when the electric field E is changed between the points C and G in FIG. 17 (b) (however, ∂P / ∂E = ε 0 χ (E)) is shown.

図19(a)、(b)に示されるように、印加される電場Eが変動しても、強誘電相にあるセラミックスは、分極Pの勾配すなわち電気感受率χ(E)が一定であり、比誘電率ε=1+χ(E)も一定である(電場Eに依存しない)ことがわかる。これは、上記図14(a)、(b)に示された場合と同様である。As shown in FIGS. 19A and 19B, even if the applied electric field E fluctuates, the gradient of polarization P, that is, the electric susceptibility χ (E) is constant in the ceramics in the ferroelectric phase. It can be seen that the relative permittivity ε r = 1 + χ (E) is also constant (it does not depend on the electric field E). This is the same as the case shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b) above.

実施例6.
図20(a)、(b)には、以上に述べた実施例4、実施例5と同様にして調べた、セラミックスへの電場Eの印加前(電場印加前:as-prepared)および後(電場印加後:poled)におけるセラミックスの状態(相)のまとめが示される。図20(a)、(b)において、縦軸がAサイト空孔の量δであり、横軸がBaの量xである。また、図20(a)が電場Eを印加する前(電場印加前:as-prepared)のセラミックスの状態であり、図20(b)が50kV/cmの電場を印加した後、電場の印加を停止した場合のセラミックスの状態(電場印加後:poled)である。すなわち、製造直後には図20(a)の状態であったものが、電場印加後には図20(b)の状態に遷移する(一部は不変)ことが示されている。
Example 6.
20 (a) and 20 (b) show the images before and after the application of the electric field E to the ceramics (before and after the application of the electric field: as-prepared), which were investigated in the same manner as in Examples 4 and 5 described above. A summary of the states (phases) of the ceramics after applying an electric field (poled) is shown. In FIGS. 20 (a) and 20 (b), the vertical axis is the amount of A-site vacancies δ, and the horizontal axis is the amount x of Ba. Further, FIG. 20A shows the state of the ceramics before applying the electric field E (before applying the electric field: as-prepared), and FIG. 20B shows the application of the electric field after applying the electric field of 50 kV / cm. The state of the ceramics when stopped (after applying an electric field: polled). That is, it is shown that what was in the state shown in FIG. 20 (a) immediately after production transitions to the state shown in FIG. 20 (b) after the application of an electric field (partially unchanged).

図20(a)、(b)では、斜線で示された菱形(◇)が強誘電相(P4mm)の単相を示し、丸印(○)がフェリ誘電相(P4bm)の単相を示し、斜線で示された三角形(△)が強誘電相(R3c)の単相を示している。また、四角形(□)は、強誘電相とフェリ誘電相(P4bm)とが混在した状態を示している。具体的には、四角形(□)の左側に斜線が入ったものは、強誘電相(R3c)とフェリ誘電相(P4bm)の二相共存状態を示している。また、四角形(□)の右側に斜線が入ったものは、強誘電相(P4mm)とフェリ誘電相(P4bm)の二相共存状態を示している。 In FIGS. 20 (a) and 20 (b), the diamonds (◇) shown by diagonal lines indicate the single phase of the ferroelectric phase (P4 mm), and the circles (○) indicate the single phase of the ferroelectric phase (P4 bm). , The triangle (Δ) indicated by the diagonal line indicates the single phase of the ferroelectric phase (R3c). Further, the quadrangle (□) indicates a state in which the ferroelectric phase and the ferri-dielectric phase (P4bm) are mixed. Specifically, the diagonal line on the left side of the quadrangle (□) indicates a two-phase coexistence state of the ferroelectric phase (R3c) and the ferri-dielectric phase (P4bm). A diagonal line on the right side of the quadrangle (□) indicates a two-phase coexistence state of the ferroelectric phase (P4 mm) and the ferri dielectric phase (P4 bm).

図20(b)において、破線で囲まれた範囲内にあるセラミックスは、上記図15〜図19に示されたものと同様に、印加される電場の大きさに応じて強誘電相(R3c相またはP4mm相)とフェリ誘電相(P4bm)との間で相転移する。このため、電気的増強誘電率の性質と誘電率が電場に依存しない性質とが電場に応じてスイッチングするセラミックスである。また、上記破線で囲まれた範囲外にあるセラミックスは、印加される電場の大きさによらず強誘電相(P4mmまたはR3c)が維持されており、常に誘電率が電場に依存しない性質となっている。 In FIG. 20 (b), the ceramics in the range surrounded by the broken line are the ferroelectric phase (R3c phase) according to the magnitude of the applied electric field, similarly to those shown in FIGS. 15 to 19 above. Alternatively, a phase transition occurs between the P4 mm phase) and the ferrielectric phase (P4 bm). Therefore, it is a ceramic in which the property of the electrically enhanced permittivity and the property that the permittivity does not depend on the electric field are switched according to the electric field. Further, the ceramics outside the range surrounded by the broken line maintain the ferroelectric phase (P4 mm or R3c) regardless of the magnitude of the applied electric field, and the dielectric constant does not always depend on the electric field. ing.

図20(a)、(b)に示されるように、Aサイト空孔の量δとBaの量xとの組合せを調整することにより、実施例3で製造されるセラミックスの性質を制御できることがわかる。 As shown in FIGS. 20A and 20B, the properties of the ceramics produced in Example 3 can be controlled by adjusting the combination of the amount δ of the A-site pores and the amount x of Ba. Understand.

10 誘電体材料、12a、12b 電極、14 中間電極。

10 Dielectric material, 12a, 12b electrodes, 14 intermediate electrodes.

Claims (12)

ペロブスカイト型構造ABXをもつ立方晶または疑似立方晶の各頂点のAサイトに配置された金属が欠落したAサイト空孔により導入されるアニオンXサイトの空孔の濃度が1%以下であり、前記立方晶または疑似立方晶の結晶軸に対して、ペロブスカイト型構造に存在するアニオンの八面体が角度ωをもって回転して配列するとともに、電場の印加により前記角度ωと分極値との両方がともに変化することを特徴とする、分極ツイストを示す誘電体材料。The concentration of pores in the anion X-site introduced by the metal-deficient A-site pores located at the A-site of each apex of a cubic or pseudo-cubic crystal having a perovskite-type structure ABX 3 is 1% or less. The octahedrons of anions existing in the perovskite-type structure are rotated and arranged with respect to the crystal axis of the cubic or pseudo-cubic crystal with an angle ω, and both the angle ω and the polarization value are both due to the application of an electric field. A dielectric material exhibiting a polarization twist, characterized by varying. 前記誘電体材料が、常誘電体、フェリ誘電体、反強誘電体のいずれかである、請求項1に記載の分極ツイストを示す誘電体材料。 The dielectric material exhibiting a polarization twist according to claim 1, wherein the dielectric material is any of an ordinary dielectric, a ferrielectric, and an antiferroelectric. 前記八面体が、6個の酸素原子で構成された八面体であり、Aサイト空孔により導入される酸素空孔の濃度が1%以下である、請求項1または請求項2に記載の分極ツイストを示す誘電体材料。 The polarization according to claim 1 or 2, wherein the octahedron is an octahedron composed of 6 oxygen atoms, and the concentration of oxygen vacancies introduced by A-site vacancies is 1% or less. A dielectric material that exhibits twist. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の分極ツイストを示す誘電体材料と、
前記誘電体材料に電場を作用させ、前記角度ωを変化させて分極を制御する部材と、
を備える、分極を制御可能な誘電体構造体。
The dielectric material exhibiting the polarization twist according to any one of claims 1 to 3, and the dielectric material.
A member that controls polarization by applying an electric field to the dielectric material and changing the angle ω.
A dielectric structure in which polarization can be controlled.
請求項4に記載の分極を制御可能な誘電体構造体を使用したキャパシタ。 A capacitor using the dielectric structure according to claim 4, wherein the polarization can be controlled. 請求項4に記載の分極を制御可能な誘電体構造体を使用した圧電素子。 A piezoelectric element using the dielectric structure according to claim 4, wherein the polarization can be controlled. 下記一般式(4)で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されたセラミックスであって、
(A1(1−x+δ)/2A2(1−x−3δ)/2A3δ)BO・・・(4)
前記A1は三価の金属であり、A2は一価の金属であり、A3は二価の金属であり、Bは四価の金属であり、□はAサイト空孔を表し、
前記Aサイト空孔の量δが0〜3%であり、前記のA3量xが2〜25%であることを特徴とするセラミックス。
A ceramic composed of a perovskite-type oxide represented by the following general formula (4).
(A1 (1-x + δ) / 2 A2 (1-x-3δ) / 2 A3 xδ ) BO 3 ... (4)
A1 is a trivalent metal, A2 is a monovalent metal, A3 is a divalent metal, B is a tetravalent metal, and □ represents A site vacancies.
A ceramic having an A-site pore amount δ of 0 to 3% and an A3 amount x of 2 to 25%.
前記ペロブスカイト型酸化物が、さらに金属酸化物Mを含む、請求項7に記載のセラミックス。 The ceramic according to claim 7, wherein the perovskite-type oxide further contains a metal oxide M. A1はBiであり、A2はNaであり、A3はBaである請求項7または請求項8に記載のセラミックス。 The ceramic according to claim 7 or 8, wherein A1 is Bi, A2 is Na, and A3 is Ba. MはCuである、請求項7から請求項9のいずれか一項に記載のセラミックス。 The ceramic according to any one of claims 7 to 9, wherein M is Cu. 請求項7から請求項10のいずれか一項に記載のセラミックスを使用したキャパシタ。 A capacitor using the ceramics according to any one of claims 7 to 10. 請求項7から請求項10のいずれか一項に記載のセラミックスを使用した圧電素子。

A piezoelectric element using the ceramics according to any one of claims 7 to 10.

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