強誘電体におけるプロトン交換と微細構造加工

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タングステンブロンズ(TB)構造強誘電体は、光通信や非線形光学の分野において、優れた光機能、圧電性、低光損傷性を有する材料として大きな注目を集めている。その中でも1967年に発見されたK_3LiNb_5O_<15>(KLN)単結晶は、唯一完全に各サイトが充填されたTB構造を持っており全く光損傷がないとされている。しかしながら、実際にKLN単結晶を育成した結果、K_3Li_<2-x>Nb_<5-x>O_<15-2x>のLi不足のものしか得られず完全充填構造とはならなかった。そこでLiNbO_5の光導波路作製や分極反転に幅広く用いられているプロトン交換の技術を応用し、KLNをプロトン交換することによって局所的に完全充填構造を実現することを試みた。cカットKLN単結晶基板を分極した後、-c面にアルミ膜を半分だけ堆積させた後、試料を200℃のオクタン酸に3時間浸透することでプロトン交換を行った。そのサンプルを酸素雰囲気中300℃、6時間アニールすることによって完全結晶化させた。プロトン交換の確認はHF_+HNO_3溶液で2時間エッチングすることで行った。アルミ膜で覆われた部分はプロトン交換されず分極は反転しないのでエッチングされた。それに対し、アルミ膜で覆われていない部分はエッチングされないことから、プロトン交換及び分極反転していることが確認できた。プロトン交換された深さの確認は、カットしたサンプルを電子顕微鏡で観察することによって行った。以上の結果より、KLNをプロトン交換して熱処理することにより部分的にK_3Li_<2-y>Nb_5O_<15>といった完全結晶化させることができるとの結論を得た。今後の課題として、プロトン交換された強誘電体の特性評価、デバイスへの応用など挙げられる。