Motivation Experimental

脳（コンピュータ）

神経（ネットワーク網）

手、筋肉（アクチュエータ）：さらなる微細化、高機能化が必要

高度情報社会の実現に向け順調に発達

MEMS：Micro Electro Mechanical Systems機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路を一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に集積化したデバイス

NEMS用に向けた

高速・高感度で動作するアクチュエータの高性能化が不可欠

NEMSについて

ナノメートルのスケールまで小型化した

NEMS (Nano Electro Mechanical Systems)

今後は特に高速領域（>MHz/sec）での小型化や高性能化が求められている

圧電MEMSの主な使用用途

RFスイッチジャイロ 光スキャナ 格子変形(lattice deformation)：picosec(THz)～sub nanosec( MHz)

弾性変形(elastic deformation)non‐180o domain switching ：‐msec (kHz)

従来、

格子変形と弾性変形において高速での電場応答速度を直接同時に調べたことがない

高周波で、格子変形を利用したセンサー応用への利用可能

高周波で、弾性変形を利用したアクチュエータ応用への利用は困難

6格子変形 << 弾性変形 (最大7倍)

圧電歪 ＝ 格子変形 ＋ 弾性変形（非180oドメイン）

格子変形 弾性変形

圧電性の起源 ‐格子変形と弾性変形の電場印加応答速度‐

従来の電界下XRD測定による測定

T. Tsurumi et al., Jpn. J. Appl. Phys. 36, 5970 (1997).

c‐domainの体積分率が増加

電界下での弾性変形（ドメインスイッチング）電界下での格子変形

A. Grigoriev et al., Appl. Phys. Lett 89, 021109 (2006）

高速パルスでのX線回折測定で格子変形と弾性変形を直接観察

しかしながら、従来では格子変形と弾性変形の高速応答は観察されていない

従来の圧電歪の測定法

Ref)鶴見敬章らMaterial Integration 24, 62 (2011)

圧電歪 ＝ 格子変形 ＋ 弾性変形（非180oドメイン）

AFM装置 (Piezo- Force Microscopy) (-1kHz,薄膜試料)

Ref) After.Gruverman

レーザドップラ振動計等(~5MHz, バルク試料)

Raman分光測定(DC測定)

Ref) Nakajima et al., Material Integration 97, 181907 (2010)

電界下の歪測定• 圧電歪全体の測定

（格子変形と弾性変形）• 間接な測定

調べる方法として、X線回折測定で格子変形と弾性変形を直接観察に注目

目的: 高速電界パルスに対する格子変形と弾性変形を同時観察し、その応答速度を比較

電場印加による in‐situ X線回折測定

SPring‐8 実験配置図 BL13XUO. Sakata et al., AIP Conf, Proc. 1234,151 (2010).

数百nsの高速パルスさせて電界印加⇒in-situの格子変形と弾性変形の同時測定

PZT film

測定方法：

1. Pulse time

2. Voltage

800ns

0V

Repeat 10x times

パルス測定

パルス印加は800ns周期（左図参照）

スイッチングの応答時間電界パルス時間幅比較

実験方法 :試料作製成膜方法 ： MOCVD法

基 板 (111)cSrRuO3 //(111)KTaO3

成膜温度 600ºC膜 厚 200nm組 成 Zr/(Zr+Ti)=0.65

111 111-

111-

基板(111)

(Ps) (0.33Ps)

Substrate

O2

MFC MFC

Heater

Source bottle

MFC

Pump

MFC

N2

MFC

PbZrTi

Needle valve

Stop valve

Stop valve(air operation)

Pressure gauge

Mass flowcontroller

Counter gas Source gasses

Oxidant gas

Exhaust

Oven

Fig.Schematic of MOCVD apparatus

試料：(111)/(11-1)配向菱面体晶エピタキシャルPb(Zr,Ti)O3膜(100)/(001)配向正方晶エピタキシャルPb(Zr,Ti)O3膜

作製した試料のドメイン構造

分極軸配向 非分極軸配向

001(Ps)

100(0Ps)

分極軸配向 非分極軸配向

菱面体晶 正方晶

Results & Discussion(11-1)/(111)菱面体晶PZT膜

Conclusion

① ナノ秒オーダの高速パルス電圧を用いたIn situ XRD測定で、格子変形と弾性変形の同時観

察に成功し、初めて弾性変形の時間的な遅れの観察に成功② 相転移や他の材料分野でもナノ秒オーダでの観察を行うことが可能

• 200ns(5MHz)で十分な弾性変形を観察• 弾性変形が、伸長変形に対して80ns遅れて変形

本測定で高周波数領域(数百ナノ秒)において伸長変形お

よび弾性変形を世界で初めて同時に観察

電界印加時の格子歪を直性観察する方法によって、圧電特性測定装置を構築した

0 200 400 600 8000.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

dV11

1/(V

111+V

11-1)

Time (ns)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

Lat

tice

Str

ain

(%)

222

22-2

49 8

50.0

50.2

50.4

50.6

50.8

51.0

51.2

2 (

deg

)

22222-2

弾性変形

格子変形

応答を比較

0 200 400 600 8000

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

( I-

I 0)/(I

max

-I0)

(%)

( d-

d 0)/(d

max

-d0)

(%)

Time (ns)

弾性変形

格子変形

0 200 400 600 800-0.004

-0.002

0.000

0.002

0.004

22-2 222 Elastic Strain

dStr

ain/

dt

Time (ns)

微分

80ns200ns

(d) After Electric Field : Peak shifts

(a) Electric Field OFF

(c) Under Electric Field: Peak shifts and Change of Intensity ratio

(e) After Electric Field： Peak shifts and Change of Intensity ratio

(b) In the initial stage under Electric Field : Peak shifts

and Change of Intensity ratio

49.8 50.0 50.2 50.4 50.6 50.8 51.0 51.2

Int.

(ar

b. u

nits

)

2 (deg)

(a)

(a)

49.8 50.0 50.2 50.4 50.6 50.8 51.0 51.2

Int.

(ar

b. u

nits

)

2 (deg)

(b)

49.8 50.0 50.2 50.4 50.6 50.8 51.0 51.2

Int.

(ar

b. u

nits

)

2 (deg)

(c)

(b)

49.8 50.0 50.2 50.4 50.6 50.8 51.0 51.2

Int.

(ar

b. u

nits

)

2 (deg)

(c)

(d)

49.8 50.0 50.2 50.4 50.6 50.8 51.0 51.2

Int.

(ar

b. u

nits

)

2 (deg)

(e)

(d)

(100)/(001)正方晶PZT膜

(100)/(001)正方晶PZT膜のRSM図(a),(b)ナノドメイン構造の模式図(c)

60.0

60.5

61.0

61.5

62.0

62.5

2 (

deg.

)

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.56.5

57.0

57.5

58.0

58.5

59.0

(deg.)

2 (

deg

.)

SrRuO3 004c

a DomainPZT 400

KTaO3 004

c-domainPZT 004

(a)

(b)

scan II

scan V

scan I

scan IIIscan IV

a-domainPZT 400

c-domainPZT 004

(c)

-0.08-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.08

Str

ain

(%)

a-domainPZT 400

c-domainPZT 004

a-domainPZT 400

c-domainPZT 004

0.340.350.360.370.380.392.062.082.102.122.14

Til

tang

le,

(de

gree

)

0 200 400 600 800

In

ten

sity

(ar

b. u

nit

.)

Time (ns)

a-domainPZT 400

c-domainPZT 004

-0 0010

-0.0005

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

dd/d

t

a-domainPZT 400

c-domainPZT 004

a-domainPZT 400

c-domainPZT 004

-0.0010

-0.0005

0.0000

0.0005

0.0010

d/d

t

0 200 400 600 800-15

-10

-5

0

5

10

15

dI/d

t

Time (ns)

a-domainPZT 400

c-domainPZT 004

d0.00

速度比較

格子変形

弾性変形

(a)a-domainPZT 400

c-domainPZT 004

c-domainPZT 004

(b)

E-field

c-domainPZT 004

a-domainPZT 400

• 弾性変形は伸長変形と同様なタイミングで変形• 高速パルス下において複雑なナノドメイン構造の変形

の観察に成功

時間分解XRDによる圧電体のドメインダイナミックスの測定

舟窪浩、清水 荘雄 （東工大、元素戦略センター（材料創製）)、坂田修身 (NIMS（材料評価）/SPring-8、東工大）、今井康彦、田尻寛男(JASRI/SPring-8）、安井伸太郎、江原 祥隆 （東工大)、 山田智明 (名古屋大学)

元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞電子材料領域

東工大元素戦略拠点 (TIES)元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞電子材料領域

東工大元素戦略拠点 (TIES)