内田 寛

マイクロ波用の薄膜誘電体材料としては、(Ba,Sr)TiO3が最も広く検討されているが、組成やプロセス敏感性や高いことから、必ずしも最適な物質がとはいえず、他の物質の可能性に興味がもたれる。特にペロブスカイト構造以外の物質の可能性は、今後の材料探索範囲を決める上で重要になる。本研究では、ペロブスカイト構造より低温製膜が期待できるBi-Zn-Nb-O薄膜を取り上げ、その可能性について検討したので、報告する。

Lead-free ferroelectric Bi4Ti3O12 (BIT) thin films were modified by the cosubstitution of Sr2+ for Bi3+ and of Nb5+ for Ti4+ by spin-coating and decomposition of chemical solutions of metal-alkoxide materials (the nominal compositions of Bi4-xSrxTi3-xNbxO12 (BSTN) are $x=0.5$, 1.0, 1.5). Single-phase thin films with a BIT-type structure were crystallized above 550°C. At room temperature, the ferroelectric and dielectric properties were found to be $P_{\text{r } }=10$ μC/cm2, $E_{\text{c } }=100$ kV/cm, $\varepsilon_{\text{r } }=300$, and $\tan\delta<5$% for $x=0.5$ after annealing at 650°C. The films with $x=1.0$ and 1.5 did not exhibit ferroelectric hysteresis behavior because of the decrease in Curie temperature ($T_{\text{c } }$) below room temperature. The $x$ dependence of $T_{\text{c } }$ was studied by considering the soft mode behavior in Raman scattering spectra and the $T_{\text{c } }$ values were 400, $-25$, and $-220$°C for $x=0.5$, 1.0, and 1.5, respectively. The cosubstitution by Sr2+ and Nb5+ is effective for reducing ferroelectric interaction between electrical dipoles leading to a large shift in $T_{\text{c } }$. Because of its high solubility of Sr2+ and Nb5+ and efficiency for shifting $T_{\text{c } }$, the BSTN system may find a novel application as a dielectric material rather than as a ferroelectric material.

本研究ではV5+やW6+などの高価数イオン置換によりチタン酸ビスマス(BIT)基薄膜の強誘電特性を改善することを目的とし,化学溶液法を用いた薄膜組成の制御により置換イオン種および置換量の最適化を検討する.ランタン置換チタン酸ビスマス薄膜Bi3.25La0.75Ti3.00O12 (BLT)の残留分極(Pr)は8μC/cm2であったが, V5+およびW6+を置換したBLT薄膜[Bi3.24La0.75Ti2.97V0.03O12 およびBi3.23La0.75Ti2.97W0.03O12 (V-およびW-BLT)]のPrはそれぞれ13および12μC/cm2まで向上した.一方, Zr4+を置換したBLT薄膜Bi3.25La0.75Ti2.97Zr0.03O12(Zr-BLT)のPrはBLTのものとほぼ同じ値(9 μC/cm2)であり, 同価数イオン置換による特性改善の影響は認められなかった. 更に, BIT基薄膜における高価数イオン置換は残留分極値の向上だけでなく,漏れ電流量の低減にも寄与することが確認された.