結晶相境界を有する新規機能性酸化物薄膜に関する研究

本研究は非鉛圧電材料(1-x)BiFeO3-xBiCoO3(BFCO)の薄膜合成と評価を目的に進められた。そのためにBFCOの薄膜を化学溶液法によって単結晶基板上に成長させ、結晶構造と圧電性の評価を行った。まず、SrTiO3(STO)基板上に成長させたBFCO薄膜は、X線回折パターンから得られた格子定数プロットから、菱面体晶相から正方晶相へ連続的な構造転移を示すことが分かった。圧電性の評価を行ったところ、圧電定数(d33)は菱面体晶相でCo置換によって一旦増大し、d33=80pm/Vに達する。しかし、Co置換量が増えるとd33の減少が見られ、基板からの拘束を受けて圧電変位が抑制する効果が示唆された。この結果を受け、菱面体晶相の格子定数と単結晶基板の格子定数との間の格子ミスマッチを大きくして格子緩和させ、菱面体晶相での基板からの拘束の効果を和らげることで圧電性を改善できると考え、STOよりも格子定数の小さい、LaAlO3基板上に成長させたBFCO薄膜の結晶構造と圧電性の関係について調べた。その結果、STO基板上の場合とは対照的に、粉末試料と同様の1次転移的な菱面体晶相から正方晶相への構造転移が観測された。菱面体晶相での格子定数はSTO基板上に作製した場合よりも大きくなり、基板からの歪みが弱まったことが示唆される結果となった。圧電性の評価を行ったところ、菱面体晶相に対する歪みの効果が弱まることで、圧電変位の拘束を和らげる作用が働き、Co添加量の多い組成範囲に渡って圧電定数の増大が見られ、x=0.10でd33=100pm/Vの圧電定数が得られた。この値はBiFeO3で得られている圧電定数の約2倍である。以上の結果から、菱面体晶相BiFeO3へのCo置換によって圧電定数の増大が観測され、非鉛圧電材料の候補物質としてBiFeO3-BiCoO3固溶体が有用であることを見出した。

本研究は非鉛圧電材料(1-x)BiFeO3-xBiCoO3(BFCO)の薄膜合成と評価を目的に進められた。そのためにBFCOの薄膜を化学溶液法によって単結晶基板上に成長させ、結晶構造と圧電性の評価を行った。まず、SrTiO3(STO)基板上に成長させたBFCO薄膜は、X線回折パターンから得られた格子定数プロットから、菱面体晶相から正方晶相へ連続的な構造転移を示すことが分かった。圧電性の評価を行ったところ、圧電定数(d33)は菱面体晶相でCo置換によって一旦増大し、d33=80pm/Vに達する。しかし、Co置換量が増えるとd33の減少が見られ、基板からの拘束を受けて圧電変位が抑制する効果が示唆された。この結果を受け、菱面体晶相の格子定数と単結晶基板の格子定数との間の格子ミスマッチを大きくして格子緩和させ、菱面体晶相での基板からの拘束の効果を和らげることで圧電性を改善できると考え、STOよりも格子定数の小さい、LaAlO3基板上に成長させたBFCO薄膜の結晶構造と圧電性の関係について調べた。その結果、STO基板上の場合とは対照的に、粉末試料と同様の1次転移的な菱面体晶相から正方晶相への構造転移が観測された。菱面体晶相での格子定数はSTO基板上に作製した場合よりも大きくなり、基板からの歪みが弱まったことが示唆される結果となった。圧電性の評価を行ったところ、菱面体晶相に対する歪みの効果が弱まることで、圧電変位の拘束を和らげる作用が働き、Co添加量の多い組成範囲に渡って圧電定数の増大が見られ、x=0.10でd33=100pm/Vの圧電定数が得られた。この値はBiFeO3で得られている圧電定数の約2倍である。以上の結果から、菱面体晶相BiFeO3へのCo置換によって圧電定数の増大が観測され、非鉛圧電材料の候補物質としてBiFeO3-BiCoO3固溶体が有用であることを見出した。