高温対応圧電アクチュエータを目指した高Tc及び高結合強誘電体単結晶の合成と評価

高温压电驱动器用高温高耦合铁电单晶的合成与评价

基本信息

批准号：
17040020
负责人：
武田博明
金额：
$ 2.56万
依托单位：
Nara Institute of Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究はビスマス層状構造強誘電体(BLSF)の一つで、T_c=940℃という高いキュリー温度を有するBi_2WO_6(以下、BWO)を、高温アクチュエータ用の圧電単結晶材料として期待し、その結晶作製や特性評価を行うことを目的とする。本年度はBWOの圧電特性評価を主に行った。まず、エッチピット形状及びインピーダンス周波数特性の違いから、結晶軸の同定を行い、さらにスクイズテストにより圧電d_<33>方位(自発分極方向)を決定した。これらの結果を基に共振子を作製し、室温におけるBWOのすべての誘電率、圧電定数、弾性定数を評価した。BWO結晶は点群mm2に属するため、それぞれ独立な材料定数が誘電率3個、圧電定数5個、弾性コンプライアンス9個、計17個存在する。点群mm2における材料定数を求める方法はNanamatsuらにより記されているが、BWO結晶は薄い板状であるためそのまま適用できない。そこで、必要なカット面を考慮しこれらの材料定数を求めることにした。Nanamatsuらの報告にある基板と振動モードにより独立に求められる定数は、弾性コンプライアンス6個、圧電定数3個である。誘電率を除く残り5個の定数は、本研究にて方位基板を新しく提案し、横効果長さ伸び振動ならびに横効果面内すべり振動を利用して求めることができた。本研究でBWO結晶の全ての材料定数が求まり、多くの化合物が報告されているBLSFの圧電特性において単結晶を用いた初の成果となった。圧電特性の温度依存性を調べた結果、BWO結晶の圧電特性は400℃まで保つことが分かった。これはPZTセラミックスと比較して結合係数はPZTセラミックスの67%に及ばないものの、使用限界温度がPZTの200℃に対し、BWO結晶は400℃まで使用できることを示している。また、電気機械結合係数k_<33>が36%とBLSFの中でも大きな値を示した。このようにBWO単一分域結晶が大きい結合係数をもち、かつ圧電性が高温まで保たれることが明らかとなり、同結晶は高温対応圧電材料として有望である。

这项研究是二层层状的铁电（BLSF）之一，旨在创建和评估BI_2WO_6（以下称为bWO）的晶体和表征，其curie温度高为T_C = 940°C，作为高温单晶材料的高温度材料。今年，我们主要评估了BWO的压电性能。首先，基于蚀刻坑形状和阻抗频率特征的差异鉴定晶体轴，并通过挤压测试确定压电D_ <33>方向（自发极化方向）。基于这些结果，制备了谐振器，并评估了在室温下的所有介电常数，压电常数和BWO的弹性常数。由于BWO晶体属于点云MM2，因此有17种不同的材料常数，每个常数具有3个介电常数，5个压电常数和9个弹性依从性。 Nanamatsu等人描述了确定点云MM2的材料常数的方法，但是BWO晶体是薄板状的，因此不能像以前那样应用它们。因此，我们决定通过考虑所需的切割表面来找到材料常数。如Nanamatsu等人报道的那样，由底物和振动模式独立确定的常数为六个弹性合规性和三个压电常数。剩下的五个常数不包括介电常数，可以通过在本研究中提出新的方向底物来确定，并利用横向效应长度延伸振动和横向效应滑移振动。这项研究发现了BWO晶体的所有材料常数，这是在BLSF的压电特性中使用单晶的第一个结果，其中已报道了许多化合物。在检查了压电性能的温度依赖性之后，发现BWO晶体的压电性能保持在400°C。这表明，尽管与PZT陶瓷相比，耦合系数不到PZT陶瓷的67％，但与PZT的200°C相比，使用极限温度最高可使用400°C。此外，机电耦合系数K_ <33>为36％，在BLSF中的值很大。因此，已经揭示了BWO单域晶体具有较大的耦合系数，并且将压电性保持在高温下，从而使这种晶体有望成为可以容纳高温的压电材料。