内田 寛

BiFeO₃はPb含有強誘電体を代替する有力な材料の候補として、近年その研究開発が急速に進められている。本研究では酸化物単結晶基板よりも汎用性の高いSiウェハ上での材料合成を念頭に置き、LaNiO₃層ならびにCa₂Nb₃O₁₀ナノシートなど、同じくペロブスカイト型結晶構造を有する界面層を成長核として利用したBiFeO₃薄膜材料の結晶性向上と結晶配向性の制御を試みた。BiFeO₃薄膜試料は界面層を形成した (111)Pt/TiO₂/(100)Si基板上に化学溶液法により堆積された。その結果、良好な結晶性を有する(100)BiFeO₃結晶が基板面方位に対して一軸配向成長する事が確認された。

Films of solid solution in KNbO₃--NaNbO₃(KNN) were deposited at 240 °C on (100)_\text{cSrRuO₃$\varparallel$(100)SrTiO₃substrates by the hydrothermal method. (K_xNa_1-x)NbO₃films with $x = 0{\mbox{-- } }1.0$ were synthesized by changing the fraction of KOH in a solution of KOH and NaOH. The $x$ in (K_xNa_1-x)NbO₃continuously changed with the volume fraction of KOH, while the deposition amount strongly depended on $x$. Epitaxial films with {100} orientation were obtained in the entire composition range and their out-of-plane lattice spacing changed with $x$. All the films showed ferroelectricity and their remanent polarization became larger than what above $x = 0.58$.

PZTに代わる非鉛含有強誘電体材料の候補として、本研究ではビスマス系ペロブスカイト型酸化物BiFeO₃ (BFO) およびBi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃ (BZT) からなる固溶体薄膜x BFO- (1-x) BZTを作製した。薄膜試料は化学溶液堆積法を用いて(100)配向LaNiO₃層を表面に導入した(111)Pt/(100)Si基板上に作製された。XRD評価より、LaNiO₃層を導入していない基板上の薄膜試料ではペロブスカイト相の結晶化は進行しなかったが、LaNiO₃層を導入した基板上では、x = 0.2以上の領域においてペロブスカイト相の形成が認められた。x = 0.2-0.3の領域では第二相を伴った正方晶ペロブスカイト、x = 0.35-0.45の領域では正方晶ペロブスカイトの単一相、x = 0.7-1.0では菱面体晶ペロブスカイトの単一相が生成することをそれぞれ確認した。強誘電特性については当日に報告する。

PZTを超える新規非鉛圧電体材料を探索するためには、その端成分である正方晶圧電体が重要であるが、これまでの研究はチタン酸バリウム[BaTiO₃]やチタン酸ビスマスカリウム[(Bi,K)TiO₃]等に限定されていた。本研究では、2006年に正方晶強誘電体であることが報告されたコバルト酸ビスマス[BiCoO₃]および亜鉛酸チタン酸ビスマス[Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃]の2種類のビスマス正方晶強誘電体に注目した。これらのビスマス系正方晶強誘電体は、高温高圧を用いないと作製できないことから、これまで圧電性に着目した研究は未だ多くはない。本研究ではMOCVD法を用いて、BiCoO₃およびBi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃を含有するエピタキシャル薄膜を作製した。得られた薄膜について、結晶構造解析と電気特性および圧電特性を調査し、従来の鉛系圧電体膜と比較検討を行うことで、新規圧電体材料の設計指針を検討した。

現在使用されている鉛系材料は正方晶強誘電体のPbTiO₃を端成分としており、非鉛の正方晶強誘電体の材料探索が非鉛圧電体材料探索のkey pointであると考えられている。その候補の一つとして、我々はBi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃に着目した。これは、巨大正方晶性(c/a = 1.21)を有しており大体材料として非常に有望であるが、高圧相であるために常圧合成は非常に困難である。我々は常圧相のBiFeO₃との固溶体であるBi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃-BiFeO₃をMOCVD法で合成することにより、c/a = 1.22 を有する正方晶性薄膜の作製に成功した[2]。しかし、PbTiO₃(c/a = 1.06)に比べて大きな正方晶性歪を有することにより、高い抗電界による分極反転の困難さが予想される。そこで我々は添加物によって正方晶性歪を制御した。