歪制御した強誘電体薄膜の圧電特性とＭＥＭＳ超音波トランスデューサへの応用

強誘電体薄膜の圧電応答は、分域内の自発分極の伸縮と回転に加え、分域壁の運動や振動が重畳した複雑なものである。これらの寄与を包括的に理解し最適化する方法の確立は、高効率な圧電MEMS素子の開発に有効であると期待できる。本研究では非鉛強誘電体薄膜として期待されているBiFeO3薄膜の正圧電特性の微視的解析に取り組んだ。開発した正圧電応答顕微鏡(DPRM)と従来の圧電特性評価手法を組み合わせることで、本年は以下の成果を得た。1) DPRMと従来の顕微鏡手法(PFM)の比較からDPRMはナノスケールレベルの空間分解能を有していることが明らかになった。また、DPRMとPFMでは同一の分域パターンが観察される一方で、大きな正圧電応答を有する分域と逆圧電応答を有する分域は相互排他的な関係にあることも明らかになった。2) 巨視的-微視的領域間の正圧電特性の比較と有限要素法によるDPRMの出力特性の解析結果から、DPRMを用いた正圧電特性の定量解析が可能であることが示唆された。3) PFMを用いて精密に分域構造を決定する方法を確立し、DPRMと組み合わせることで、正圧電応答への分域構造の寄与について詳細に解析した。BiFeO3薄膜中に形成される数種類の分域壁の内、膜厚方向に傾斜した71°分域壁の近傍で大きな正圧電応答が得られることが分かり、71°分域壁を有する分域の正圧電応答は有さない分域と比較して最大で40%程大きくなること、71°分域壁密度の増大によりBiFeO3薄膜の電気機械結合係数をさらに向上できる可能性を見出した。これらの結果は圧電MEMS素子応用に向けた強誘電体薄膜の開発だけでなく、圧電応答の発現機構の解明や鉛系強誘電体における大きな圧電応答の起源の解明においても大きく貢献するものである。

強誘電体薄膜の圧電応答は、分域内の自発分極の伸縮と回転に加え、分域壁の運動や振動が重畳した複雑なものである。これらの寄与を包括的に理解し最適化する方法の確立は、高効率な圧電MEMS素子の開発に有効であると期待できる。本研究では非鉛強誘電体薄膜として期待されているBiFeO3薄膜の正圧電特性の微視的解析に取り組んだ。開発した正圧電応答顕微鏡(DPRM)と従来の圧電特性評価手法を組み合わせることで、本年は以下の成果を得た。1) DPRMと従来の顕微鏡手法(PFM)の比較からDPRMはナノスケールレベルの空間分解能を有していることが明らかになった。また、DPRMとPFMでは同一の分域パターンが観察される一方で、大きな正圧電応答を有する分域と逆圧電応答を有する分域は相互排他的な関係にあることも明らかになった。2) 巨視的-微視的領域間の正圧電特性の比較と有限要素法によるDPRMの出力特性の解析結果から、DPRMを用いた正圧電特性の定量解析が可能であることが示唆された。3) PFMを用いて精密に分域構造を決定する方法を確立し、DPRMと組み合わせることで、正圧電応答への分域構造の寄与について詳細に解析した。BiFeO3薄膜中に形成される数種類の分域壁の内、膜厚方向に傾斜した71°分域壁の近傍で大きな正圧電応答が得られることが分かり、71°分域壁を有する分域の正圧電応答は有さない分域と比較して最大で40%程大きくなること、71°分域壁密度の増大によりBiFeO3薄膜の電気機械結合係数をさらに向上できる可能性を見出した。これらの結果は圧電MEMS素子応用に向けた強誘電体薄膜の開発だけでなく、圧電応答の発現機構の解明や鉛系強誘電体における大きな圧電応答の起源の解明においても大きく貢献するものである。