JP7064204B2 - Lead-free ferroelectric composition and thin film - Google Patents
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Description
本発明は、鉛を含まない強誘電体組成物、及び、それから構成される薄膜に関する。 The present invention relates to a lead-free ferroelectric composition and a thin film composed thereof.
従来、強誘電性を示す組成物(強誘電体セラミックス)として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の鉛を含む強誘電体組成物が広く知られている。このような強誘電体組成物は、誘電率や圧電性といった強誘電体としての性質(強誘電性)に優れ、様々な工業的分野において広く用いられている。
しかしながら、近年、環境保護の観点から、鉛を含まない物質や製品を使用する動きが広まっており、これは強誘電体組成物の分野においても同様である。よって、鉛を含まない強誘電体組成物、すなわち非鉛強誘電体組成物が求められている。
非鉛強誘電体組成物としては、例えば、チタン酸ビスマス(BT)やチタン酸ビスマスランタン(BLT)等を含む組成物について研究が進んでいる(例えば特許文献1を参照)。しかし、これら非鉛強誘電体組成物でも、分極特性が十分ではなく、チタン酸ジルコン酸鉛等の鉛を含む強誘電体組成物を完全に代替するには至っていない。
Conventionally, as a composition exhibiting ferroelectricity (ferroelectric ceramics), a ferroelectric composition containing lead such as lead zirconate titanate (PZT) is widely known. Such a ferroelectric composition is excellent in properties as a ferroelectric substance (ferroelectricity) such as dielectric constant and piezoelectricity, and is widely used in various industrial fields.
However, in recent years, from the viewpoint of environmental protection, the movement to use lead-free substances and products has become widespread, and this is also the case in the field of ferroelectric compositions. Therefore, a lead-free ferroelectric composition, that is, a lead-free ferroelectric composition is required.
As the lead-free ferroelectric composition, for example, a composition containing bismuth titanate (BT), bismuth bismuth titanate (BLT) and the like is being studied (see, for example, Patent Document 1). However, even these lead-free ferroelectric compositions do not have sufficient polarization characteristics and have not completely replaced lead-containing ferroelectric compositions such as lead zirconate titanate.
本発明は、上記現状に鑑み、鉛を含まず、かつ優れた分極性能を有する新規の強誘電体組成物、及び、それから構成される薄膜を提供することを目的とする。 In view of the above situation, it is an object of the present invention to provide a novel ferroelectric composition which does not contain lead and has excellent polarization performance, and a thin film composed thereof.
上記の課題を解決するために、本発明者らが種々検討を重ねたところ、特定の比率でBi、Ti、Nd及びEuを含有する酸化物からなる組成物が、優れた分極性能を示すことを見出し、本発明に至った。 As a result of various studies by the present inventors in order to solve the above problems, a composition composed of an oxide containing Bi, Ti, Nd and Eu in a specific ratio exhibits excellent polarization performance. And came to the present invention.
すなわち第一の本発明は、Bi、Ti、Nd及びEuの合計量に対するBi、Ti、Nd及びEuそれぞれの元素比率が、40~65at%、35~55at%、1~15at%、及び、1~15at%である、Bi、Ti、Nd及びEuを含有する酸化物からなることを特徴とする非鉛強誘電体組成物に関する。第一の本発明は、前記非鉛強誘電体組成物からなる成形体であってもよい。好ましくは、前記成形体の相対密度が40~60%である。第一の本発明は、前記非鉛強誘電体組成物からなる焼結体であってもよい。好ましくは、前記焼結体の相対密度が80%以上である。 That is, in the first invention, the element ratios of Bi, Ti, Nd and Eu to the total amount of Bi, Ti, Nd and Eu are 40 to 65 at%, 35 to 55 at%, 1 to 15 at%, and 1 The present invention relates to a lead-free ferroelectric composition comprising an oxide containing Bi, Ti, Nd and Eu in an amount of about 15 at%. The first invention may be a molded product made of the lead-free ferroelectric composition. Preferably, the relative density of the molded product is 40 to 60%. The first invention may be a sintered body made of the lead-free ferroelectric composition. Preferably, the relative density of the sintered body is 80% or more.
第二の本発明は、Bi、Ti、Nd及びEuの合計量に対するBi、Ti、Nd及びEuそれぞれの元素比率が、40~65at%、35~55at%、1~15at%、及び、1~15at%である、Bi、Ti、Nd及びEuを含有する酸化物からなることを特徴とする非鉛強誘電体酸化物薄膜に関する。好ましくは、前記酸化物薄膜が、略[200]方向に結晶配向性を有する。また、好ましくは、前記酸化物薄膜が、電界放射型走査電子顕微鏡による該薄膜の表面観察において、プレート状の構造を有する。第二の本発明は、前記非鉛強誘電体酸化物薄膜を含むマルチフェロイック素子、圧電素子、強誘電体メモリ、又は、センサー若しくはアクチュエーターであってもよい。 In the second invention, the element ratios of Bi, Ti, Nd and Eu to the total amount of Bi, Ti, Nd and Eu are 40 to 65 at%, 35 to 55 at%, 1 to 15 at%, and 1 to 1. The present invention relates to a lead-free ferroelectric oxide thin film comprising an oxide containing Bi, Ti, Nd and Eu, which is 15 at%. Preferably, the oxide thin film has crystal orientation in the substantially [200] direction. Further, preferably, the oxide thin film has a plate-like structure in the surface observation of the thin film by a field emission scanning electron microscope. The second invention may be a multiferroic element containing the lead-free ferroelectric oxide thin film, a piezoelectric element, a ferroelectric memory, or a sensor or an actuator.
本発明によると、鉛を含まず、かつ優れた分極性能を有する新規の強誘電体組成物、及び、それから構成される薄膜を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a novel ferroelectric composition which does not contain lead and has excellent polarization performance, and a thin film composed thereof.
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明に係る強誘電体組成物は、鉛を含まず、ビスマス(Bi)、チタン(Ti)、ネオジム(Nd)及びユーロピウム(Eu)を含有する酸化物からなるものである。前記酸化物は、複合酸化物であっても良いし、単純酸化物及び/又は複合酸化物の混合物であってもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The ferroelectric composition according to the present invention is composed of an oxide containing bismuth (Bi), titanium (Ti), neodymium (Nd) and europium (Eu) without containing lead. The oxide may be a composite oxide, or may be a mixture of a simple oxide and / or a composite oxide.
前記酸化物において、Bi、Ti、Nd及びEuの合計量に対するBi、Ti、Nd及びEuそれぞれの元素比率が、40~65at%、35~55at%、1~15at%、及び、1~15at%である。各元素のモル数の割合が上記範囲内であると、強誘電体組成物が示す分極性能を良好なものとすることができる。Bi、Ti、Nd及びEuそれぞれの元素比率は、好ましくは、45~60at%、37~54at%、1~10at%、及び、1.1~10at%であり、さらに好ましくは、48~55at%、37~52at%、1.1~8at%、及び、1.2~8at%である。 In the oxide, the element ratios of Bi, Ti, Nd and Eu to the total amount of Bi, Ti, Nd and Eu are 40 to 65 at%, 35 to 55 at%, 1 to 15 at% and 1 to 15 at%. Is. When the ratio of the number of moles of each element is within the above range, the polarization performance exhibited by the ferroelectric composition can be improved. The element ratios of Bi, Ti, Nd and Eu are preferably 45 to 60 at%, 37 to 54 at%, 1 to 10 at%, and 1.1 to 10 at%, and more preferably 48 to 55 at%. , 37 to 52 at%, 1.1 to 8 at%, and 1.2 to 8 at%.
前記非鉛強誘電体組成物は、所定の形状を有するように形成された成形体であってよい。当該成形体の相対密度は、例えば、40~60%であることが好ましく、42~55%であることがより好ましく、44~50%であることがさらに好ましい。 The lead-free ferroelectric composition may be a molded body formed to have a predetermined shape. The relative density of the molded product is, for example, preferably 40 to 60%, more preferably 42 to 55%, and even more preferably 44 to 50%.
また、前記非鉛強誘電体組成物は、酸化物の焼結体であってもよい。当該焼結体の相対密度は80%以上100%以下であることが好ましく、85%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましく、95%以上であることが特に好ましい。 Further, the lead-free ferroelectric composition may be a sintered body of an oxide. The relative density of the sintered body is preferably 80% or more and 100% or less, more preferably 85% or more, further preferably 90% or more, and particularly preferably 95% or more.
さらに本発明は、前記酸化物からなる非鉛強誘電体酸化物薄膜であってもよい。当該薄膜は、良好な分極性能を示すため、X線回折(XRD)測定において、略[200]方向に結晶配向性を有することが好ましい。また、当該薄膜は、電界放射型走査電子顕微鏡によってその表面を観察した時に、プレート状の構造を有することが好ましい。ここで、プレート状の構造とは、図1、図2で示すように、プレート状の結晶構造の側面が多数、薄膜表面に観察されることをいう。 Further, the present invention may be a lead-free ferroelectric oxide thin film made of the oxide. Since the thin film exhibits good polarization performance, it is preferable that the thin film has crystal orientation in the substantially [200] direction in X-ray diffraction (XRD) measurement. Further, it is preferable that the thin film has a plate-like structure when the surface thereof is observed with a field emission scanning electron microscope. Here, the plate-shaped structure means that, as shown in FIGS. 1 and 2, many side surfaces of the plate-shaped crystal structure are observed on the surface of the thin film.
次に、本発明に係る強誘電体組成物、その成形体、焼結体、及び、薄膜を製造する方法を具体的に説明するが、本発明は以下の製造方法に限定されるものではない。 Next, a method for producing a ferroelectric composition, a molded body thereof, a sintered body, and a thin film according to the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited to the following production methods. ..
(原料準備工程)
まず、原料として酸化ビスマス又はその前駆体、酸化チタニウム又はその前駆体、酸化ネオジム又はその前躯体、及び酸化ユーロピウム又はその前駆体を準備する。前記前駆体としては、後述する焼成工程等によって酸化物に変換し得る物質を使用することができ、具体的には、各元素の水酸化物、炭酸塩、硝酸塩等を使用することができる。
(Raw material preparation process)
First, bismuth oxide or its precursor, titanium oxide or its precursor, neodymium oxide or its precursor, and europium oxide or its precursor are prepared as raw materials. As the precursor, a substance that can be converted into an oxide by a firing step or the like described later can be used, and specifically, a hydroxide, a carbonate, a nitrate or the like of each element can be used.
(粉砕及び混合工程)
次に、準備した各原料を粉砕及び混合する。粉砕及び混合は公知の方法を用いて行うことができる。混合方法は乾式混合であっても良いし、湿式混合であっても良いが、湿式混合の場合、メタノール又はエタノール等のアルコール溶媒中で湿式混合を行うことが好ましい。粉砕及び混合に使用する装置としては、例えば、ボールミル、乳鉢、及びスターラー等の各種混合装置を用いることができる。湿式混合を実施した後は、適宜乾燥させればよい。
(Grinding and mixing process)
Next, each prepared raw material is crushed and mixed. Grinding and mixing can be performed using known methods. The mixing method may be dry mixing or wet mixing, but in the case of wet mixing, it is preferable to perform wet mixing in an alcohol solvent such as methanol or ethanol. As the device used for crushing and mixing, for example, various mixing devices such as a ball mill, a mortar, and a stirrer can be used. After performing the wet mixing, it may be appropriately dried.
(焼成工程)
次に、混合後の原料を焼成して非鉛強誘電体組成物を製造する。焼成温度は、500℃~1000℃の範囲内であることが好ましいが、原料の組成によって最適な温度を選択することができる。
(Baking process)
Next, the mixed raw material is fired to produce a lead-free ferroelectric composition. The firing temperature is preferably in the range of 500 ° C. to 1000 ° C., but the optimum temperature can be selected depending on the composition of the raw material.
また、焼成時間は、1時間~10時間の範囲内であることが好ましいが、原料の組成や原料の大きさによって最適な時間を選択することができる。焼成は、通常の大気雰囲気下、不活性ガスと酸素を混合した雰囲気下、又は酸素雰囲気下等、各種の条件で行うことができる。 The firing time is preferably in the range of 1 hour to 10 hours, but the optimum time can be selected depending on the composition of the raw material and the size of the raw material. The calcination can be performed under various conditions such as a normal atmosphere atmosphere, an atmosphere in which an inert gas and oxygen are mixed, or an oxygen atmosphere.
(成形工程)
次に、焼成工程により得た非鉛強誘電体組成物の粉末を成形する。成形は、例えば、ダイスやプレス機等、各種公知の成形機器を用いて行うことができる。成形時にかける圧力は、例えば、10MPa~400MPaの範囲内とすることが好ましいが、組成物の組成や前記粉末の大きさによって最適な圧力を選択することができる。
(Molding process)
Next, the powder of the lead-free ferroelectric composition obtained by the firing step is molded. Molding can be performed using various known molding equipment such as a die and a press machine. The pressure applied during molding is preferably in the range of, for example, 10 MPa to 400 MPa, but the optimum pressure can be selected depending on the composition of the composition and the size of the powder.
この成形工程の圧力や時間を選択することによって、得られる成形体の相対密度を40~60%とすることが好ましい。成形体の相対密度は、より好ましくは42~55%、さらに好ましくは44~50%である。 By selecting the pressure and time of this molding step, it is preferable that the relative density of the obtained molded product is 40 to 60%. The relative density of the molded product is more preferably 42 to 55%, still more preferably 44 to 50%.
(焼結工程)
焼結体を製造する場合には、上述した各原料を混合してホットプレスによって焼結体を製造することができる。その場合、粉末状の各原料をカーボン製ダイスに充填し、温度500~1000℃、圧力10~200MPaの条件でホットプレスを実施することができる。また、焼結体は、上述のように前記成形体を作製した後、該成形体を大気雰囲気中で焼成することでも製造することができる。焼結体を製造するにあたっては、成形補助材として水および/またはバインダー(例えば、ポリビニルアルコール等)を原料に加えてもよい。
(Sintering process)
When producing a sintered body, the above-mentioned raw materials can be mixed and the sintered body can be produced by hot pressing. In that case, each powdered raw material can be filled in a carbon die, and hot pressing can be performed under the conditions of a temperature of 500 to 1000 ° C. and a pressure of 10 to 200 MPa. Further, the sintered body can also be produced by producing the molded body as described above and then firing the molded body in an air atmosphere. In producing the sintered body, water and / or a binder (for example, polyvinyl alcohol, etc.) may be added to the raw material as a molding auxiliary material.
焼結工程の温度や圧力、時間を選択することによって、得られる焼結体の相対密度を80%以上100%以下とすることが好ましい。焼結体の相対密度は、より好ましくは85%以上、さらに好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上である。 By selecting the temperature, pressure, and time of the sintering step, it is preferable that the relative density of the obtained sintered body is 80% or more and 100% or less. The relative density of the sintered body is more preferably 85% or more, further preferably 90% or more, and particularly preferably 95% or more.
(酸化物薄膜の製造工程)
本発明の非鉛強誘電体組成物から構成される酸化物薄膜は、例えば、スパッタリング法によって製造することができる。具体的には、非鉛強誘電体組成物の成形体又は焼結体からなるターゲットを用意し、高周波マグネトロンスパッタ装置等を利用することによって、基板上に当該酸化物薄膜を形成することができる。
(Manufacturing process of oxide thin film)
The oxide thin film composed of the lead-free ferroelectric composition of the present invention can be produced, for example, by a sputtering method. Specifically, the oxide thin film can be formed on a substrate by preparing a target made of a molded body or a sintered body of a lead-free ferroelectric composition and using a high-frequency magnetron sputtering device or the like. ..
基板を構成する材料としては、本発明の非鉛強誘電体酸化物薄膜がプレート状の構造を有するようになるものが好ましく、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニア、又は酸化アルミニウムや、それらに第5族元素を添加したものを挙げることができる。また、基板上に白金膜を形成し、その上に本発明の非鉛強誘電体酸化物薄膜を形成してもよい。 As the material constituting the substrate, it is preferable that the lead-free ferroelectric oxide thin film of the present invention has a plate-like structure, for example, titanium oxide, zirconia oxide, aluminum oxide, or a fifth thereof. Examples thereof include those to which a group element is added. Further, a platinum film may be formed on the substrate, and the lead-free ferroelectric oxide thin film of the present invention may be formed on the platinum film.
本発明の非鉛強誘電体酸化物薄膜の厚さは、特に限定されないが、500nm~5000nmの範囲内にあることが好ましい。 The thickness of the lead-free ferroelectric oxide thin film of the present invention is not particularly limited, but is preferably in the range of 500 nm to 5000 nm.
なお、スパッタリングの条件や焼結体の製造条件によってビスマスが蒸散する可能性がある場合は、蒸散するビスマスを予め補填することを目的として、成形体または焼結体に対して、薄膜における所望量よりも過剰に酸化ビスマス又はその前駆体を添加しておくことができる。 If there is a possibility that bismuth may evaporate depending on the sputtering conditions or the manufacturing conditions of the sintered body, a desired amount of bismuth in the thin film is obtained with respect to the molded body or the sintered body for the purpose of supplementing the evaporating bismuth in advance. Bismuth oxide or a precursor thereof can be added in excess of the above.
スパッタリングの条件としては、例えば、雰囲気ガスとしてアルゴンと酸素の任意の混合割合の混合ガスを用い、流量を10~100sccm、基板加熱温度を550℃~700℃、真空度を1.0×10-3Pa以下、成膜時間を30~300min、有効電力を100~200Wに設定することができる。 As the sputtering conditions, for example, a mixed gas having an arbitrary mixing ratio of argon and oxygen is used as the atmospheric gas, the flow rate is 10 to 100 sccm, the substrate heating temperature is 550 ° C to 700 ° C, and the vacuum degree is 1.0 × 10 − . The film formation time can be set to 3 Pa or less, the film formation time can be set to 30 to 300 min, and the active power can be set to 100 to 200 W.
本発明の非鉛強誘電体酸化物薄膜は、上記の方法によって製造されたものに限定されない。最終的に得られる酸化物薄膜が所定の組成を有するものであれば良い。上述した方法以外の、非鉛強誘電体酸化物薄膜を製造する方法としては、例えば、成形体又は焼結体の非鉛強誘電体組成物を介さずに、ゾル-ゲル法、塗布法、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、物理的気相成長法(PVD)、又は、化学気相成長法(CVD)により薄膜を形成する方法や、成形体を焼成した後、高周波マグネトロンスパッタリング装置を用いて薄膜を形成する方法が挙げられる。 The lead-free ferroelectric oxide thin film of the present invention is not limited to that produced by the above method. Any oxide thin film finally obtained may have a predetermined composition. As a method for producing a lead-free strong dielectric oxide thin film other than the above-mentioned method, for example, a sol-gel method, a coating method, etc. Organic Metal Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Physical Vapor Deposition (PVD), or Chemical Vapor Deposition (CVD) to form a thin film, or after firing a molded body, a high frequency magnetron sputtering device. A method of forming a thin film using the above can be mentioned.
本発明の非鉛強誘電体酸化物薄膜を適用する具体的な用途としては、特に限定されず、例えば、マルチフェロイック素子、圧電素子、強誘電体メモリ、センサー又はアクチュエーター等を挙げることができる。 Specific applications to which the lead-free ferroelectric oxide thin film of the present invention is applied are not particularly limited, and examples thereof include multiferroic elements, piezoelectric elements, ferroelectric memories, sensors, actuators, and the like. ..
以下に実施例を掲げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1~2及び比較例1~3)
原料準備工程
原料として粉末状の酸化ビスマス(純度99.9%以上、粒子径2.6μm)、粉末状の酸化チタン(純度99.9%以上、粒子径3.1μm)、粉末状の酸化ネオジム(純度99.9%以上、粒子径1.6μm)、及び、粉末状の酸化ユーロピウム(純度99.9%以上、粒子径1.8μm)を準備した。各原料を最終的に得られる元素比率が表1記載の元素比率になるように調整して秤量した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3)
Raw material preparation process As raw materials, powdered bismuth oxide (purity 99.9% or more, particle size 2.6 μm), powdered titanium oxide (purity 99.9% or more, particle size 3.1 μm), powdered neodymium oxide (Purity 99.9% or more, particle size 1.6 μm) and powdered europium oxide (purity 99.9% or more, particle size 1.8 μm) were prepared. Each raw material was adjusted and weighed so that the element ratio finally obtained was the element ratio shown in Table 1.
粉砕及び混合工程
次に、用意した各原料の粉末を粉砕及び混合した。当該粉砕及び混合は乳鉢を用いて、エタノール湿式混合により行った。その後、乾燥機(タバイ製 Labostar GRAVITY OVEN LG-122型)を使用して90℃で2時間乾燥させた。
Grinding and mixing steps Next, the prepared powders of each raw material were crushed and mixed. The pulverization and mixing were carried out by wet mixing with ethanol using a mortar. Then, it was dried at 90 ° C. for 2 hours using a dryer (Labostar GRAVITY OVEN LG-122 type).
焼成工程
次に、混合した原料を焼成して非鉛強誘電体組成物を製造した。焼成は、大気雰囲気中で電気炉(アズワン製 MPH-1N型)を用いて750℃、3時間の条件で行った。なお、昇温速度は5℃/分とし、冷却速度は4℃/分とした。焼成後、常温まで冷却して粉末状の非鉛強誘電体組成物を得た。
Firing Step Next, the mixed raw materials were calcined to produce a lead-free ferroelectric composition. The firing was carried out in an air atmosphere using an electric furnace (MPH-1N type manufactured by AS ONE) at 750 ° C. for 3 hours. The temperature rising rate was 5 ° C./min and the cooling rate was 4 ° C./min. After firing, it was cooled to room temperature to obtain a powdery lead-free ferroelectric composition.
成形工程
次に、非鉛強誘電体組成物を成形した。成形は、直径100mmの金型を用い、40MPaの圧力を2分間維持することにより行った。これにより直径100mm、厚さ約5mmの円柱状の、非鉛強誘電体組成物で構成された相対密度48%の成形体を得た。
Molding Step Next, a lead-free ferroelectric composition was molded. Molding was carried out by using a mold having a diameter of 100 mm and maintaining a pressure of 40 MPa for 2 minutes. As a result, a cylindrical molded body having a diameter of 100 mm and a thickness of about 5 mm and having a relative density of 48% composed of a lead-free ferroelectric composition was obtained.
成膜工程
成膜用の基板として、1.0mass%のNbをドープしたTiO2単結晶基板を用いた。基板の大きさは7.0×7.0mm、厚さ0.4mmである。
Film formation step As a substrate for film formation, a TiO 2 single crystal substrate doped with 1.0 mass% Nb was used. The size of the substrate is 7.0 × 7.0 mm and the thickness is 0.4 mm.
成形工程で得られた非鉛強誘電体組成物で構成された成形体をターゲットとして、高周波マグネトロンスパッタリング装置(アネルバ株式会社製 SPF-210B)を用いて、前記TiO2基板上に、膜厚1.8μmの非鉛強誘電体組成物から構成される酸化物薄膜を成膜した。なお、スパッタリングは以下の条件で行った。
・雰囲気:Ar/O2=9:1 (50sccm)
・基板温度:650℃
・真空度:5.0×10-4Pa
・成膜時間:200min
・有効電力:120W
Using a high-frequency magnetron sputtering device (SPF-210B manufactured by Anerva Co., Ltd.) as a target for a molded body composed of the lead-free ferroelectric composition obtained in the molding step, the film thickness 1 is placed on the TiO 2 substrate. An oxide thin film composed of a 0.8 μm lead-free ferroelectric composition was formed. Sputtering was performed under the following conditions.
・ Atmosphere: Ar / O 2 = 9: 1 (50sccm)
-Substrate temperature: 650 ° C
・ Vacuum degree: 5.0 × 10 -4 Pa
・ Film formation time: 200 min
・ Active power: 120W
高周波多層スパッタリング装置(アネルバ株式会社製)を用いて、前記TiO2基板の裏面にTi電極を作製し、さらに、前記非鉛強誘電体組成物から構成される酸化物薄膜の上面にPt電極を作製した後、前記非鉛強誘電体組成物から構成される酸化物薄膜の特性を評価した。 Using a high-frequency multilayer sputtering device (manufactured by Anerva Co., Ltd.), a Ti electrode is prepared on the back surface of the TiO 2 substrate, and a Pt electrode is further formed on the upper surface of an oxide thin film composed of the lead-free ferroelectric composition. After preparation, the characteristics of the oxide thin film composed of the lead-free ferroelectric composition were evaluated.
(評価方法)
(FE-SEM観察、及びTEM観察)
電界放射型走査電子顕微鏡(JEOL製 JSM-7001F)を用いて、加速電圧5kV、及び、WD10mmの条件で、酸化物薄膜の表面を観察し、確認された構造を表1に示した。以上により実施例1の酸化物薄膜の表面を撮影した顕微鏡写真を図1に示す。
また、透過型電子顕微鏡(JEOL製、JEM2100)を用いて、加速電圧200kVの条件で、酸化物薄膜の断面を撮影した顕微鏡写真を図2に示す。
(Evaluation methods)
(FE-SEM observation and TEM observation)
The surface of the oxide thin film was observed under the conditions of an acceleration voltage of 5 kV and a WD of 10 mm using a field emission scanning electron microscope (JSM-7001F manufactured by JEOL), and the confirmed structure is shown in Table 1. FIG. 1 shows a micrograph of the surface of the oxide thin film of Example 1 as described above.
Further, FIG. 2 shows a photomicrograph of a cross section of the oxide thin film taken under the condition of an acceleration voltage of 200 kV using a transmission electron microscope (JEM2100 manufactured by JEOL).
(酸化物薄膜の元素比率の測定方法)
電界放射型走査電子顕微鏡(JEOL製 JSM-7001F)に付属のエネルギー分散型X線分光器を用いて、加速電圧15kV、倍率500倍の条件で、計数カウントが8000cps以上になるよう照射電流を調整して測定を行なった。5視野撮影して得た5つの値の平均値を表1に示した。
(Measuring method of element ratio of oxide thin film)
Using the energy dispersive X-ray spectroscope attached to the electric field radiation scanning electron microscope (JEOL JSM-7001F), adjust the irradiation current so that the count count is 8000 cps or more under the conditions of acceleration voltage of 15 kV and magnification of 500 times. And the measurement was performed. Table 1 shows the average value of the five values obtained by five-field photography.
(分極の測定方法)
分極-電界(P-E)ヒステリシスループを、マニピュレータを装備した双眼鏡システム(共和理研製 マイクロファイバーK-160MP、ニコン製 双眼鏡)及び強誘電体測定装置(Radiant Tech.製 RT-66A)を用いて測定した。印加電界は500kV/cmとした。上記印加電界で走査したときに得られる分極-印加電界ヒステリシスループにおいて印加電界が0kV/cmのときの分極値を残留分極Prとし、その分極値は±の値をとり得るので2倍したものを分極性能として表1に示した。
(Measurement method of polarization)
A polarization-electric field (PE) hysteresis loop was performed using a binocular system equipped with a manipulator (Kyowa Riken Microfiber K-160MP, Nikon binoculars) and a ferroelectric measuring device (Radiant Tech. RT-66A). It was measured. The applied electric field was 500 kV / cm. The polarization value obtained when scanning with the above applied electric field-the polarization value when the applied electric field is 0 kV / cm in the applied electric field hysteresis loop is defined as the residual polarization Pr , and the polarization value can be ±, so it is doubled. Is shown in Table 1 as the polarization performance.
(膜厚の測定方法)
透過型電子顕微鏡(JEOL製 JEM2100)を用いて、加速電圧200kVで試料断面の透過像の撮影を行い、膜厚の測定を行った。
(Measurement method of film thickness)
Using a transmission electron microscope (JEM2100 manufactured by JEOL), a transmission image of a sample cross section was photographed at an acceleration voltage of 200 kV, and the film thickness was measured.
(結晶方位の測定方法)
2次元検出器を搭載したX線回折装置(Bruker社製 D8μ-HR)を用いて結晶方位を測定し、結果を表1に示した。測定条件は、管電圧40kV、管電流40mV、ステップ時間200s/ステップ、2θ:20-70°とした。
The crystal orientation was measured using an X-ray diffractometer (D8μ-HR manufactured by Bruker) equipped with a two-dimensional detector, and the results are shown in Table 1. The measurement conditions were a tube voltage of 40 kV, a tube current of 40 mV, a step time of 200 s / step, and 2θ: 20-70 °.
表1より、実施例1~2は分極性能に優れていることが分かる。一方、比較例1は、ユーロピウム無添加の試料であり、実施例1~2と比較して低い分極性能を示した。また、比較例2はネオジム無添加の試料であり、比較例3はユーロピウム及びネオジムの両元素無添加の試料であり、いずれも実施例1~2と比較して格段に低い分極性能を示した。
From Table 1, it can be seen that Examples 1 and 2 are excellent in polarization performance. On the other hand, Comparative Example 1 was a sample to which Europium was not added, and showed low polarization performance as compared with Examples 1 and 2. Further, Comparative Example 2 was a sample to which neodymium was not added, and Comparative Example 3 was a sample to which both europium and neodymium were not added, both of which showed significantly lower polarization performance as compared with Examples 1 and 2. ..
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