ゾルゲル法によるチタン酸バリウム半導体薄膜の調製と半導体-絶縁体転移機構の解明

溶胶-凝胶法制备钛酸钡半导体薄膜及阐明半导体-绝缘体转变机理

• 批准号: 06650746
• 负责人: 桑原 誠
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• 财政年份: 1994
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1994 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-06650746/
• 关键词: ゾルゲル法; チタン酸バリウム; 薄膜; 強誘電性; 半導性; 絶縁性

本研究課題における実験は、基本的に3つの部分から成る。即ち、(1)金属アルコキシドを用いたゾルゲル法によりBaTiO_3強誘電体薄膜の形成(2)BaTiO_3強誘電体薄膜の半導体化あるいはドナー添加BaTiO_3半導体薄膜の直接合成(3)得られたBaTiO_3半導体薄膜の特性評価である。以下にこれらの実験項目に対して本研究で得られた成果について記す。(1)の実験については、(1)Ba-エトキシドとTi-イソプロポキシドを用いてゾル溶液を調製し、スピンコート法によりMgO単結晶基板上に製膜した後、600〜900℃、大気中で焼成することにより、膜質の非常に良好な(110)面に強く配向したBaTiO_3単相薄膜(膜厚0.5μm以下)を作製することができた。(2)スピンコート、焼成を多数回繰り返し、半導体化を容易にするために1μm以上の膜厚を持つ薄膜を得た。この薄膜は配向性は低下したが、依然として単相であるものが得られた。(3)MgO単結晶基板上にBaPbO_3(金属導電性物質で、下地電極として用いる)薄膜を形成すると、(110)面に強く配向した膜が得られ、その上にBaTiO_3薄膜を形成することにより同じく(110)面に強く配向した膜を得ることに成功した。以上の実験については、ドナー元素(La)添加、無添加いずれの薄膜についても同じ結果が得られた。(2)の実験は、未だ世界でも成功例のないものであり、本研究においても目的とする成果は得られていないが、以下のような知見を得た。即ち(1)(1)で得られたLa添加、無添加BaTiO_3薄膜をN_2/H_2雰囲気中1350℃で還元焼成を行ったが、MgO基板上に製膜したものはいずれも半導体化することができなかった。(2)La添加BaTiO_3薄膜を絶縁体BaTiO_3セラミックス基板上に形成した場合は、1350℃大気中焼成においても半導体化することができたが、膜の形態は非常に悪く、基板との反応を示唆するものであった。この(2)の実験における(2)の結果は、これまで全く見いだされたことのない新しい現象であり、BaTiO_3膜の作成条件及びその焼成条件の適正化により、目的とするBaTiO_3半導体膜の作製が可能であることを示唆する重要な結果である。(3)の実験については、評価に耐えるBaTiO_3半導体体薄膜が得られていないので、予備実験として得られた絶縁体薄膜についてその誘電性についての評価を行った。その結果、室温で明確な強誘電性は示さなかったが、高誘電率を示す誘電体薄膜が得られていることが確認できた。

The research topic of this study consists of における experiments における and the basic に3 に <s:1> part ら ら to る. Namely ち, (1) metal ア ル コ キ シ ド を with い た ゾ ル ゲ ル method に よ り BaTiO_3 film の strong electric lure body formation (2) strong BaTiO_3 induced electric film の semiconducting あ る い は ド ナ ー add BaTiO_3 semiconductor thin film in the direct synthesis (3) ら の れ た BaTiO_3 semiconductor thin film の features review 価 で あ る. The following に こ れ ら の be 験 project に し seaborne て で this research have ら れ た results に つ い て す. (1) の be 験 に つ い て は, (1) Ba - エ ト キ シ ド と Ti - イ ソ プ ロ ポ キ シ ド を with い て ゾ を modulation し ル solution and ス ピ ン コ ー ト method に よ り MgO style 単 crystal substrate に membrane し た, 600 ~ 900 ℃, after large 気 で 焼 into す る こ と に よ り, membranous の very good に な (110) surface に strong く match to し た B aTiO_3単 phase thin films (with a thickness of less than 0.5μm) are produced by を, する, とがで and た. (2) ス ピ ン コ ー ト, 焼 を most back Qiao り return し, semiconductor を easy に す る た め に 1 microns above の film thickness を hold つ film を た. The <s:1> <s:1> directionality <e:1> of the <s:1> <s:1> thin film is low, <s:1> たが, and it is still と, て単, である, <s:1>, が and られた. (3) the MgO style 単 crystal substrate に BaPbO_3 (metal electrode conductivity material で, down と し て in い る) thin film を form す る と, (110) surface に strong く match to し た membrane が have ら れ, そ の on に を BaTiO_3 film forming す る こ と に よ り with じ く (110) surface に strong く match to し た membrane を must る こ と に successful し た. Above の be 験 に つ い て は, ド ナ ー element (La) add, add い ず れ の film に つ い て も with the result of じ が ら れ た. (2) の be 験 は, not だ world で も successful cases の な い も の で あ り, this study に お い て も purpose と す は る achievements have ら れ て い な い が, the following の よ う な knowledge を た. Namely ち (1) (1) で ら れ た La add, add BaTiO_3 film を N_2 / H_2 雰 囲 気 in 1350 ℃ で also yuan 焼 line into を っ た が, MgO style substrate に membrane し た も の は い ず れ も semiconducting す る こ と が で き な か っ た. (2) add BaTiO_3 film La を never try body BaTiO_3 セ ラ ミ ッ ク ス substrate に form し た は, 1350 ℃ 気 焼 into に お い て も semiconducting す る こ と が で き た が, membrane の modality は に 悪 く, substrate と の anti 応 を in stopping す る も の で あ っ た. の こ の (2) be 験 に お け る は の results, (2) こ れ ま で く see all い だ さ れ た こ と の な new し い い phenomenon で あ り, BaTiO_3 film の made conditions and び そ の の 焼 into conditions optimum is the に よ り, purpose と す る BaTiO_3 が の of the semiconductor film system may で あ る こ と を in stopping す る important な results で あ る. (3) の be 験 に つ い て は, review 価 に え resistant る BaTiO_3 semiconductor thin film が body must ら れ て い な い の で, reserve be 験 と し て have ら れ た never try body film に つ い て そ の induced electrical に つ い て の review 価 を line っ た. そ の results, strong room temperature で clear な induced electrical は shown さ な か っ た が, high rate of induced electric を す electric film が to lure ら れ て い る こ と が confirm で き た.

项目成果

M.Kuwabara: "Recent Developments in Ferroelectric Thin-Film Capacitor and PTCR Thermistor Materials" Proc.of Int.Conf.on RMMR ´94. 169-176 (1994)

M.Kuwabara：“铁电薄膜电容器和 PTCR 热敏电阻材料的最新进展”Proc.of Int.Conf.on RMMR ´94 (1994)。

高橋誠治,桑原誠 他3名: "金属アルコキシドチタン酸バリウム前駆体のゲル化と結晶化" Journal of the Ceramic Society of Japan. 102. 1182-1184 (1994)

Seiji Takahashi、Makoto Kuwahara 等 3 人：“金属醇盐钛酸钡前体的凝胶化和结晶”日本陶瓷学会杂志 102. 1182-1184 (1994)。

倉田奈津子,桑原誠: "La添加半導体BaTiO_3のキュリー点とPTCR効果に及ぼすMnの影響" Journal of the Ceramic Society of Japan. 103. 307-310 (1995)

Natsuko Kurata、Makoto Kuwahara：“Mn 对 La 掺杂半导体 BaTiO_3 的居里点和 PTCR 效应的影响” 日本陶瓷学会杂志 103. 307-310 (1995)。

M.Kuwabara et al.: "Preparation of monolithic barium titanate xerogels by sol-gel processing and the dielectric properties of their sintered bodies" Applied Physics Letters. 66(未定). (1995)

M. Kuwabara 等人：“通过溶胶-凝胶处理制备整体钛酸钡干凝胶及其烧结体的介电性能”，《应用物理快报》66（待定）。