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公開番号2025020943
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-13
出願番号2023124586
出願日2023-07-31
発明の名称圧電薄膜、圧電薄膜素子、及び圧電トランスデューサ
出願人TDK株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H10N 30/853 20230101AFI20250205BHJP()
要約【課題】圧電特性に優れた圧電薄膜の提供。
【解決手段】圧電薄膜3は、ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含む。金属酸化物は、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Mを含む。元素Mは、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素である。少なくとも一部の金属酸化物は、正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶である。結晶の(001)面は、圧電薄膜3の表面の法線方向dnにおいて配向している。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含む圧電薄膜であって、
前記金属酸化物が、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Ｍを含み、
前記元素Ｍが、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、
少なくとも一部の前記金属酸化物が、正方晶及び直方晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶であり、
前記結晶の（００１）面が、前記圧電薄膜の表面の法線方向において配向している、
圧電薄膜。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記金属酸化物が、下記化学式１で表され、
下記化学式１中のｘ、ｙ及びｚそれぞれが、正の実数であり、
ｘ＋ｙ＋ｚが１であり、
下記化学式１中のαが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のβが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のγが、０．０５以上０．４０以下であり、
下記化学式１中のＭが、Ｇａ
１－δ
Ｃｏ
δ
と表され、
δが、０以上１以下である、
請求項１に記載の圧電薄膜。
ｘ（Ｂｉ
１－α
Ｋ
α
）ＴｉＯ
３
‐ｙＢｉ（Ｔｉ
１－β
Ｍｇ
β
）Ｏ
３
‐ｚＢｉ（Ｆｅ
１－γ
Ｍ
γ
）Ｏ
３
（１）
【請求項３】
三次元の座標系が、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸から構成され、
前記座標系における任意の座標が、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表され、
前記座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、前記化学式１中のｘ、ｙ、及びｚを示し、
前記座標系における座標Ａは、（０．２５０，０．００５，０．７００）であり、
前記座標系における座標Ｂは、（０．４５０，０．２５０，０．３００）であり、
前記座標系における座標Ｃは、（０．２００，０．５００，０．３００）であり、
前記座標系における座標Ｄは、（０．００５，０．２５０，０．７００）であり、
前記座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が前記座標Ａ、前記座標Ｂ、前記座標Ｃ、及び前記座標Ｄである四角形以内に位置する、
請求項２に記載の圧電薄膜。
【請求項４】
エピタキシャル膜である、
請求項１に記載の圧電薄膜。
【請求項５】
強誘電性薄膜である、
請求項１に記載の圧電薄膜。
【請求項６】
請求項１に記載の圧電薄膜を備える、
圧電薄膜素子。
【請求項７】
結晶質基板と、
前記結晶質基板に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
【請求項８】
結晶質基板と、
前記結晶質基板に直接又は間接的に重なる電極層と、
前記電極層に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
【請求項９】
電極層と、
前記電極層に直接又は間接的に重なる前記圧電薄膜と、
を備える、
請求項６に記載の圧電薄膜素子。
【請求項１０】
少なくとも一つの中間層を更に備え、
前記中間層が、前記結晶質基板と前記電極層との間に配置されている、
請求項８に記載の圧電薄膜素子。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、圧電薄膜、圧電薄膜素子、及び圧電トランスデューサに関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
圧電体は、種々の目的に応じて様々な圧電素子に加工される。例えば、圧電アクチュエータは、圧電体に電圧を加えて圧電体を変形させる逆圧電効果により、電圧を力に変換する。例えば、圧電センサは、圧電体に圧力を加えて圧電体を変形させる圧電効果により、力を電圧に変換する。これらの圧電素子は、様々な電子機器に搭載される。近年の市場では、電子機器の小型化及び性能の向上が要求されるため、圧電薄膜を用いた圧電素子（圧電薄膜素子）が盛んに研究されている。しかしながら、圧電体が薄いほど、圧電効果及び逆圧電効果が得られ難いため、薄膜の状態において優れた圧電特性を有する圧電体の開発が期待されている。
【０００３】
従来、圧電体として、ペロブスカイト型強誘電体であるジルコン酸チタン酸鉛（いわゆるＰＺＴ）が多用されてきた。しかしながら、ＰＺＴは、人体や環境を害する鉛を含むため、ＰＺＴの代替として、無鉛（Ｌｅａｄ－ｆｒｅｅ）の圧電体の開発が期待されている。例えば、下記の非特許文献１には、無鉛の圧電体の一例として、ＢａＴｉＯ
３
系材料が記載されている。ＢａＴｉＯ
３
系材料は、無鉛の圧電体の中でも比較的優れた圧電特性を有し、圧電薄膜素子への応用が特に期待されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
Yiping GUO et al., “ThicknessDependence of Electrical Properties of Highly (100)-Oriented BaTiO3Thin Films Prepared by One-Step Chemical Solution Deposition” Japanese Journalof Applied Physics， Vol.45, No.2A, 2006, pp.855-859
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の一側面の目的は、圧電特性に優れた圧電薄膜、当該圧電薄膜を含む圧電薄膜素子、及び圧電薄膜又は圧電薄膜素子を含む圧電トランスデューサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例えば、本発明の一側面は、下記の［１］～［５］のいずれか一つに記載の圧電薄膜、下記の［６］～［１４］のいずれか一つの記載の圧電薄膜素子、及び下記の［１５］及び［１６］のいずれか一つの記載の圧電トランスデューサに関する。
【０００７】
［１］ペロブスカイト構造を有する金属酸化物を含む圧電薄膜であって、
金属酸化物が、ビスマス、カリウム、チタン、マグネシウム、鉄、及び元素Ｍを含み、
元素Ｍが、ガリウム及びコバルトからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素であり、
少なくとも一部の金属酸化物が、正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌｃｒｙｓｔａｌ）及び直方晶（ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃｃｒｙｓｔａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも一つの結晶であり、
結晶の（００１）面が、圧電薄膜の表面の法線方向において配向している、
圧電薄膜。
【０００８】
［２］金属酸化物が、下記化学式１で表され、
下記化学式１中のｘ、ｙ及びｚそれぞれが、正の実数であり、
ｘ＋ｙ＋ｚが１であり、
下記化学式１中のαが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のβが、０より大きく１未満であり、
下記化学式１中のγが、０．０５以上０．４０以下であり、
下記化学式１中のＭが、Ｇａ
１－δ
Ｃｏ
δ
と表され、
δが、０以上１以下である、
［１］に記載の圧電薄膜。
ｘ（Ｂｉ
１－α
Ｋ
α
）ＴｉＯ
３
‐ｙＢｉ（Ｔｉ
１－β
Ｍｇ
β
）Ｏ
３
‐ｚＢｉ（Ｆｅ
１－γ
Ｍ
γ
）Ｏ
３
（１）
【０００９】
［３］三次元の座標系が、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸から構成され、
座標系における任意の座標が、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と表され、
座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、化学式１中のｘ、ｙ、及びｚを示し、
座標系における座標Ａは、（０．２５０，０．００５，０．７００）であり、
座標系における座標Ｂは、（０．４５０，０．２５０，０．３００）であり、
座標系における座標Ｃは、（０．２００，０．５００，０．３００）であり、
座標系における座標Ｄは、（０．００５，０．２５０，０．７００）であり、
座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、頂点が座標Ａ、座標Ｂ、座標Ｃ、及び座標Ｄである四角形以内に位置する、
［２］に記載の圧電薄膜。
【００１０】
［４］エピタキシャル膜である、
［１］～［３］のいずれか一つに記載の圧電薄膜。
（【００１１】以降は省略されています）

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