JP2002012424A - Method of producing pzt thin film and pzt structure obtained thereby - Google Patents
Method of producing pzt thin film and pzt structure obtained therebyInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、水熱合成により基
板表面にPZT薄膜を形成するPZT薄膜の製法および
それにより得られたPZT構造体に関するものである。The present invention relates to a method for producing a PZT thin film for forming a PZT thin film on a substrate surface by hydrothermal synthesis, and a PZT structure obtained by the method.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、水熱合成により、基板表面に
PZT薄膜を形成することが行なわれている。このPZ
T薄膜の製法には、PZT結晶核生成とPZT結晶成長
との2段階に分けて行なう方法(特開平6−20678
7号公報,特開平9−217178号公報)と、PZT
結晶核生成とPZT結晶成長とを1段階で行なう方法
(特開平9−217178号公報,特開平9−2784
36号公報)とがある。2. Description of the Related Art Conventionally, a PZT thin film has been formed on a substrate surface by hydrothermal synthesis. This PZ
The method for producing a T thin film is a method in which the T thin film is formed in two stages of PZT crystal nucleus generation and PZT crystal growth (Japanese Patent Laid-Open No. 6-20678).
No. 7, JP-A-9-217178) and PZT.
Method of performing crystal nucleation and PZT crystal growth in one step (JP-A-9-217178, JP-A-9-2784)
No. 36).
【0003】上記2段階に分けて行なう方法は、まず、
第1段階では、図5および図6に示すように、例えば、
硝酸鉛(Pb(NO3 )2 ),オキシ塩化ジルコニウム
(ZrOCl),水酸化カリウム(KOH)を含む混合
アルカリ水溶液中にチタン(Ti)製基板51を保持し
て所定条件下で水熱合成することにより、基板51の表
面にPZT結晶核を生成させてそのPZT結晶核からな
る第1の膜52aを形成させる。そして、第2段階で
は、図7および図8に示すように、例えば、Pb(NO
3 )2 ,ZrOCl,TiCl4 ,KOHを含む混合ア
ルカリ水溶液中に上記第1の膜52aを形成させた基板
51を保持して所定条件下で水熱合成することにより、
PZT結晶核の周辺(PZT結晶核の表面やPZT結晶
核間の隙間)にPZT結晶を成長させてそのPZT結晶
からなる第2の膜52bを形成させる。このようにし
て、基板51の表面に上記第1の膜52aと第2の膜5
2bとからなるPZT結晶膜52を形成させる。The method of performing the above two steps is as follows.
In the first stage, as shown in FIGS. 5 and 6, for example,
Hydrothermal synthesis is performed under predetermined conditions while holding the titanium (Ti) substrate 51 in a mixed alkaline aqueous solution containing lead nitrate (Pb (NO 3 ) 2 ), zirconium oxychloride (ZrOCl), and potassium hydroxide (KOH). Thus, a PZT crystal nucleus is generated on the surface of the substrate 51, and the first film 52a including the PZT crystal nucleus is formed. Then, in the second stage, as shown in FIGS. 7 and 8, for example, Pb (NO
3) 2, ZrOCl, by hydrothermal synthesis under prescribed conditions holds TiCl 4, substrate 51 KOH to the mixed alkali aqueous solution containing to form the first layer 52a,
A PZT crystal is grown around the PZT crystal nucleus (the surface of the PZT crystal nucleus and the gap between the PZT crystal nuclei) to form a second film 52b made of the PZT crystal. Thus, the first film 52a and the second film 5 are formed on the surface of the substrate 51.
2b is formed.
【0004】上記1段階で行なう方法は、例えば、Pb
(NO3 )2 ,ZrOCl,TiCl4 ,KOHを含む
混合アルカリ水溶液中に基板51を保持して所定条件下
で水熱合成することにより、基板51の表面に上記第1
の膜52aのみのPZT結晶膜を形成させる。[0004] The method performed in one step is, for example, Pb
By holding the substrate 51 in a mixed alkaline aqueous solution containing (NO 3 ) 2 , ZrOCl, TiCl 4 , and KOH and performing hydrothermal synthesis under predetermined conditions, the first surface is formed on the surface of the substrate 51.
A PZT crystal film of only the film 52a is formed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の水熱合成によるPZT結晶膜52の形成では、水熱
合成を始める際の混合アルカリ水溶液中において、基板
51の表面でのTiのイオン化が不充分であるため、P
ZT結晶核からなる第1の膜52aの厚みが厚く形成さ
れるにつれて、第1の膜52aの表面部分のTi成分が
著しく減少する。このため、基板51とその表面に形成
されたPZT結晶膜52とからなるPZT構造体の圧電
定数を充分に向上させることが困難であった。すなわ
ち、PZT構造体では、PZT結晶膜52のTi/Ti
+Zr(モル比)の組成が0.48である場合に、圧電
定数が最大になることが知られている。しかしながら、
上記従来の水熱合成では、第1の膜52aの表面部分の
上記Ti/Ti+Zr(モル比)の組成が0.48を大
きく下回るため、PZT結晶膜52全体の上記Ti/T
i+Zr(モル比)の組成が0.48を大きく下回り、
PZT構造体の圧電定数が充分な値にならない。However, in the conventional formation of the PZT crystal film 52 by the hydrothermal synthesis, the ionization of Ti on the surface of the substrate 51 in the mixed alkaline aqueous solution at the start of the hydrothermal synthesis is not possible. P is sufficient
As the thickness of the first film 52a made of the ZT crystal nucleus increases, the Ti component in the surface portion of the first film 52a decreases significantly. Therefore, it has been difficult to sufficiently improve the piezoelectric constant of the PZT structure including the substrate 51 and the PZT crystal film 52 formed on the surface thereof. That is, in the PZT structure, Ti / Ti of the PZT crystal film 52 is used.
It is known that the piezoelectric constant is maximized when the composition of + Zr (molar ratio) is 0.48. However,
In the above-mentioned conventional hydrothermal synthesis, the composition of Ti / Ti + Zr (molar ratio) on the surface portion of the first film 52a is much lower than 0.48.
The composition of i + Zr (molar ratio) is significantly lower than 0.48,
The piezoelectric constant of the PZT structure does not become a sufficient value.
【0006】そこで、水熱合成に用いる混合アルカリ水
溶液中にTiイオンを充分に含有させることが考えられ
るが、この場合には、混合アルカリ水溶液中でPZT粉
末が形成され、上記基板51の表面では、第1の膜52
aの形成の際にTiイオンが取り込まれなくなる。Therefore, it is conceivable that Ti ions are sufficiently contained in the mixed alkaline aqueous solution used for hydrothermal synthesis. In this case, PZT powder is formed in the mixed alkaline aqueous solution, and , First film 52
When forming a, Ti ions are not taken in.
【0007】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、水熱合成を始める際の混合アルカリ水溶液中に
おいて、基板表面でのTiのイオン化を充分に行なうこ
とができるPZT薄膜の製法およびそれにより得られた
PZT構造体の提供をその目的とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and a method of producing a PZT thin film capable of sufficiently ionizing Ti on a substrate surface in a mixed alkaline aqueous solution at the start of hydrothermal synthesis. The object is to provide a PZT structure obtained thereby.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、チタン成分を表面に有する基板を下記
(A)のアルカリ水溶液中に保持して100〜250℃
の温度で水熱合成することにより上記基板表面にPZT
薄膜を形成するPZT薄膜の製法であって、上記水熱合
成に先立って上記基板を下記(A)のアルカリ水溶液ま
たは下記(B)のアルカリ水溶液に浸漬するPZT薄膜
の製法を第1の要旨とし、それにより得られたPZT構
造体を第2の要旨とする。 (A)鉛化合物およびジルコニウム化合物を含有するア
ルカリ水溶液。 (B)鉛化合物,ジルコニウム化合物およびチタン化合
物のいずれも含有しないアルカリ水溶液。According to the present invention, a substrate having a titanium component on its surface is kept in an alkaline aqueous solution of the following (A) at 100 to 250 ° C.
PZT on the substrate surface by hydrothermal synthesis at a temperature of
A first aspect of the present invention is a method of producing a PZT thin film for forming a thin film, wherein the substrate is immersed in an alkaline aqueous solution of the following (A) or an alkaline aqueous solution of the following (B) prior to the hydrothermal synthesis. The PZT structure obtained thereby is referred to as a second gist. (A) An alkaline aqueous solution containing a lead compound and a zirconium compound. (B) An alkaline aqueous solution containing neither a lead compound, a zirconium compound nor a titanium compound.
【0009】すなわち、本発明のPZT薄膜の製法は、
水熱合成に先立ってチタン成分を表面に有する基板を上
記(A)のアルカリ水溶液または上記(B)のアルカリ
水溶液に浸漬するため、上記基板が化学的にエッチング
されて基板表面が凹凸化し、基板表面のチタンがイオン
化しやすくなっている。このため、水熱合成を始める際
には、水熱合成に用いるアルカリ水溶液中において、基
板表面でのチタンのイオン化を充分に行なうことができ
る。That is, the method for producing the PZT thin film of the present invention comprises:
Prior to hydrothermal synthesis, the substrate having a titanium component on its surface is immersed in the aqueous alkali solution (A) or the aqueous alkali solution (B). Titanium on the surface is easily ionized. Therefore, when hydrothermal synthesis is started, titanium ionization on the substrate surface can be sufficiently performed in an alkaline aqueous solution used for hydrothermal synthesis.
【0010】また、本発明のPZT薄膜の製法におい
て、上記(A)のアルカリ水溶液がチタン化合物を含有
している場合にも、基板表面でのチタンのイオン化を促
進させることができる。In the method for producing a PZT thin film of the present invention, even when the aqueous alkali solution (A) contains a titanium compound, the ionization of titanium on the substrate surface can be promoted.
【0011】そして、本発明のPZT薄膜の製法により
得られたPZT構造体は、水熱合成に用いたアルカリ水
溶液中において、基板表面でのチタンのイオン化が充分
に行なわれているため、PZT結晶核からなる第1の膜
の表面部分でも、チタン成分が充分に含有されている。
したがって、上記PZT構造体の圧電定数は充分に向上
したものとなっている。In the PZT structure obtained by the method for producing a PZT thin film of the present invention, titanium ions are sufficiently ionized on the substrate surface in the alkaline aqueous solution used for hydrothermal synthesis. The titanium component is also sufficiently contained in the surface portion of the first film composed of the nucleus.
Accordingly, the piezoelectric constant of the PZT structure has been sufficiently improved.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を図
面にもとづいて詳しく説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
【0013】図1は、本発明のPZT薄膜の製法の一実
施の形態を示している。この実施の形態では、まず、内
面にポリテトラフルオロエチレンがコートされている圧
力容器1に、Pb(NO3 )2 ,ZrOCl,およびK
OHを含む混合アルカリ水溶液(第1の合成液)を入
れ、アセトンを用いて洗浄したTi製基板11(図2参
照)を上記第1の合成液中に保持する。一方、上記圧力
容器1を載置するための可動ステージ2を備えたステン
レス槽(耐熱容器)3内にシリコーンオイル(熱媒体)
4を入れておき、上記圧力容器1を蓋体5で密閉したの
ち、握持手段6により上記シリコーンオイル4内に潜在
させる。この潜在は、圧力容器1を重力と平行方向に3
Hz以上で振動させながら、25℃において所定時間行
なう。このようにして、上記基板11を第1の合成液中
に浸漬する。FIG. 1 shows an embodiment of a method for producing a PZT thin film according to the present invention. In this embodiment, first, Pb (NO 3 ) 2 , ZrOCl, and K are placed in a pressure vessel 1 having an inner surface coated with polytetrafluoroethylene.
A mixed alkaline aqueous solution (first synthetic solution) containing OH is put in, and the Ti substrate 11 (see FIG. 2) washed with acetone is held in the first synthetic solution. On the other hand, silicone oil (heat medium) is placed in a stainless steel tank (heat-resistant vessel) 3 having a movable stage 2 for mounting the pressure vessel 1 thereon.
After the pressure vessel 1 has been put in and the pressure vessel 1 is closed with a lid 5, the pressure vessel 1 is hidden in the silicone oil 4 by gripping means 6. This latency is caused by moving the pressure vessel 1 in the direction parallel to the gravity.
This is performed at a temperature of 25 ° C. for a predetermined time while vibrating at a frequency of not less than Hz. Thus, the substrate 11 is immersed in the first synthesis liquid.
【0014】つづいて、シリコーンオイル4を加熱手段
(図示せず)により所定の温度に設定し、圧力容器1を
重力と平行方向に3Hz以上で振動させるとともに、シ
リコーンオイル4を攪拌手段7で攪拌しながら、水熱合
成処理(第1の水熱合成処理)を所定時間行なう。この
第1の水熱合成処理を終えた状態では、基板11の表面
にPZT結晶核からなる第1の膜12a(図2参照)が
形成されている。そして、この第1の水熱合成処理のの
ち、上記第1の膜12aが形成された基板11を取り出
して蒸留水にて超音波洗浄する。Subsequently, the silicone oil 4 is set to a predetermined temperature by a heating means (not shown), the pressure vessel 1 is vibrated at 3 Hz or more in a direction parallel to gravity, and the silicone oil 4 is stirred by the stirring means 7. Meanwhile, the hydrothermal synthesis process (first hydrothermal synthesis process) is performed for a predetermined time. In a state after the completion of the first hydrothermal synthesis process, a first film 12a (see FIG. 2) composed of PZT crystal nuclei is formed on the surface of the substrate 11. Then, after the first hydrothermal synthesis process, the substrate 11 on which the first film 12a is formed is taken out and subjected to ultrasonic cleaning with distilled water.
【0015】つづいて、上記第1の合成液を排出したの
ち、Pb(NO3 )2 ,ZrOCl,TiCl4 ,およ
びKOHを含む混合アルカリ水溶液(第2の合成液)を
入れ、上記水熱合成処理した基板11を上記第2の合成
液中に保持する。つぎに、上記圧力容器1を蓋体5で密
閉したのち、握持手段6により上記シリコーンオイル4
内に潜在させる。そして、シリコーンオイル4を所定の
温度に設定し、圧力容器1を重力と平行方向に3Hz以
上で振動させるとともに、シリコーンオイル4を攪拌手
段7で攪拌しながら、水熱合成処理(第2の水熱合成処
理)を所定時間行ない、PZT結晶を成長させてそのP
ZT結晶からなる第2の膜12bを形成させる。このよ
うにして、図2に示すように、上記基板11の表面に第
1の膜12aと第2の膜12bとからなるPZT結晶膜
(薄膜)12が形成され、基板11とその表面に形成さ
れたPZT結晶膜12とからなるPZT構造体10が得
られる。Subsequently, after discharging the first synthetic solution, a mixed alkaline aqueous solution (second synthetic solution) containing Pb (NO 3 ) 2 , ZrOCl, TiCl 4 and KOH is added, and the above-mentioned hydrothermal synthesis is performed. The processed substrate 11 is held in the second synthetic solution. Next, after the pressure vessel 1 is sealed with a lid 5, the silicone oil 4
Latent within. Then, the silicone oil 4 is set at a predetermined temperature, the pressure vessel 1 is vibrated at 3 Hz or more in a direction parallel to gravity, and the silicone oil 4 is stirred by the stirring means 7 while the hydrothermal synthesis processing (second water Thermal synthesis) for a predetermined time to grow a PZT crystal and
A second film 12b made of ZT crystal is formed. In this way, as shown in FIG. 2, a PZT crystal film (thin film) 12 composed of the first film 12a and the second film 12b is formed on the surface of the substrate 11, and is formed on the substrate 11 and the surface thereof. A PZT structure 10 composed of the PZT crystal film 12 thus obtained is obtained.
【0016】上記実施の形態によれば、第1の水熱合成
処理に先立って、Ti製基板11を第1の合成液に浸漬
しているため、基板11が化学的にエッチングされて基
板11の表面が凹凸化し、基板11のTiがイオン化し
やすくなっている。このため、第1の水熱合成処理を始
める際には、第1の合成液において、基板11の表面で
のTiのイオン化を充分に行なうことができる。したが
って、PZT結晶核からなる第1の膜12aの表面部分
でも、Ti成分が充分に含有されており、Ti/Ti+
Zr(モル比)の組成が0.48に近い値になってい
る。したがって、上記実施の形態によれば、得られるP
ZT構造体10の圧電定数を充分に向上させることがで
きる。According to the above embodiment, since the Ti substrate 11 is immersed in the first synthetic solution prior to the first hydrothermal synthesis processing, the substrate 11 is chemically etched and Of the substrate 11 becomes uneven, and Ti of the substrate 11 is easily ionized. Therefore, when the first hydrothermal synthesis process is started, it is possible to sufficiently ionize Ti on the surface of the substrate 11 in the first synthetic solution. Therefore, the Ti component is sufficiently contained even in the surface portion of the first film 12a made of the PZT crystal nucleus, and Ti / Ti +
The composition of Zr (molar ratio) is a value close to 0.48. Therefore, according to the above embodiment, the obtained P
The piezoelectric constant of the ZT structure 10 can be sufficiently improved.
【0017】本発明のPZT薄膜の製法の他の実施の形
態は、まず、容器(図示せず)にKOHを含む所定濃度
のアルカリ水溶液(Pb化合物,Zr化合物およびTi
化合物のいずれも含有しないアルカリ水溶液)を入れ、
アセトンを用いて洗浄したTi製基板11を上記アルカ
リ水溶液中に保持して25℃において所定時間浸漬す
る。In another embodiment of the method for producing a PZT thin film of the present invention, first, an aqueous alkali solution (Pb compound, Zr compound and Ti) having a predetermined concentration containing KOH is placed in a container (not shown).
Aqueous alkali solution that does not contain any of the compounds)
The Ti substrate 11 washed with acetone is kept in the above-mentioned alkaline aqueous solution and immersed at 25 ° C. for a predetermined time.
【0018】つづいて、上記実施の形態と同様にして、
圧力容器1に第1の合成液を入れ、上記浸漬した基板1
1を上記第1の合成液中に保持する。一方、上記圧力容
器1を載置するための可動ステージ2を備えたステンレ
ス槽3内にシリコーンオイル4を入れて加熱手段により
所定の温度に設定しておき、上記圧力容器1を蓋体5で
密閉したのち、握持手段6により上記シリコーンオイル
4内に潜在させる。そして、圧力容器1を重力と平行方
向に3Hz以上で振動させるとともに、シリコーンオイ
ル4を攪拌手段7で攪拌しながら、水熱合成処理(第1
の水熱合成処理)を所定時間行なう。それ以後は、上記
実施の形態と同様である。Subsequently, in the same manner as in the above embodiment,
The first synthetic solution is placed in a pressure vessel 1 and the immersed substrate 1
1 is held in the first synthesis solution. On the other hand, a silicone oil 4 is put in a stainless steel tank 3 provided with a movable stage 2 for mounting the pressure vessel 1, and is set at a predetermined temperature by a heating means. After sealing, it is hidden in the silicone oil 4 by the gripping means 6. Then, while the pressure vessel 1 is vibrated at 3 Hz or more in a direction parallel to the gravity, the hydrothermal synthesis treatment (first
Hydrothermal synthesis treatment) for a predetermined time. After that, it is the same as the above embodiment.
【0019】上記他の実施の形態によっても、第1の水
熱合成処理に先立って、Ti製基板11をアルカリ水溶
液に浸漬しているため、基板11が化学的にエッチング
されて基板11の表面が凹凸化し、基板11のTiがイ
オン化しやすくなっている。このため、第1の水熱合成
処理を始める際には、第1の合成液において、基板11
の表面でのTiのイオン化を充分に行なうことができ
る。したがって、PZT結晶核からなる第1の膜12a
の表面部分でも、Ti成分が充分に含有されており、T
i/Ti+Zr(モル比)の組成が0.48に近い値に
なっている。したがって、上記実施の形態と同様に、得
られるPZT構造体10の圧電定数を充分に向上させる
ことができる。According to the other embodiment, the Ti substrate 11 is immersed in an alkaline aqueous solution prior to the first hydrothermal synthesis process. Are uneven, and Ti of the substrate 11 is easily ionized. For this reason, when starting the first hydrothermal synthesis process, the substrate 11
Can sufficiently perform ionization of Ti on the surface. Therefore, the first film 12a made of PZT crystal nuclei
In the surface portion, the Ti component is sufficiently contained, and T
The composition of i / Ti + Zr (molar ratio) is close to 0.48. Therefore, similarly to the above embodiment, the piezoelectric constant of the obtained PZT structure 10 can be sufficiently improved.
【0020】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。Next, examples will be described together with comparative examples.
【0021】[0021]
【実施例1】実施例1は、上記一実施の形態と同様の製
法である。具体的には、第1の合成液は、Pb(N
O3 )2 を10mmol、ZrOClを5.2mmo
l、KOHを136.8mmol用いて30ml作製
し、Ti製基板11は、30mm×40mm×50μm
(厚み)のものを用いた。そして、基板11の第1の合
成液への浸漬は、25℃において1時間行なった。ま
た、第1の水熱合成処理は、シリコーンオイル4の設定
温度を180℃にして24時間行なった。Example 1 Example 1 is a production method similar to that of the above-described embodiment. Specifically, the first synthesis solution contains Pb (N
10 mmol of O 3 ) 2 and 5.2 mmol of ZrOCl
1 and 30 ml of KOH using 136.8 mmol, and the substrate 11 made of Ti is 30 mm × 40 mm × 50 μm
(Thickness). Then, the immersion of the substrate 11 in the first synthetic solution was performed at 25 ° C. for 1 hour. Further, the first hydrothermal synthesis treatment was performed for 24 hours at a set temperature of the silicone oil 4 of 180 ° C.
【0022】また、第2の合成液は、Pb(NO3 )2
を10mmol、ZrOClを5.2mmol、TiC
l4 を4.8mmol、KOHを136.8mmol用
いて30ml作製し、第2の水熱合成処理は、シリコー
ンオイル4の設定温度を120℃にして24時間行なっ
た。そして、基板11の表面にPZT結晶膜12が形成
されたPZT構造体10を得た(図2参照)。The second synthetic solution is Pb (NO 3 ) 2
10 mmol, ZrOCl 5.2 mmol, TiC
The l 4 4.8 mmol, 30 ml made using 136.8mmol the KOH, second hydrothermal synthesis treatment was carried out setting the temperature of the silicone oil 4 in the 120 ° C. 24 hours. Then, a PZT structure 10 having the PZT crystal film 12 formed on the surface of the substrate 11 was obtained (see FIG. 2).
【0023】[0023]
【実施例2】実施例2は、上記実施例1において、基板
11の第1の合成液への浸漬時間を8時間にしたもので
ある。それ以外は、上記実施例1と同様である。[Embodiment 2] In Embodiment 2, the immersion time of the substrate 11 in the first synthetic solution in the above-mentioned Embodiment 1 was set to 8 hours. Other than that is the same as the first embodiment.
【0024】[0024]
【実施例3】実施例3は、上記実施例1において、基板
11の第1の合成液への浸漬時間を24時間にしたもの
である。それ以外は、上記実施例1と同様である。[Embodiment 3] In Embodiment 3, the immersion time of the substrate 11 in the first synthetic solution in Embodiment 1 is set to 24 hours. Other than that is the same as the first embodiment.
【0025】[0025]
【実施例4】実施例4は、上記実施例1において、基板
11の第1の合成液への浸漬時間を48時間にしたもの
である。それ以外は、上記実施例1と同様である。Fourth Embodiment In a fourth embodiment, the immersion time of the substrate 11 in the first synthetic solution in the first embodiment is set to 48 hours. Other than that is the same as the first embodiment.
【0026】[0026]
【実施例5】実施例5は、上記他の実施の形態と同様の
製法である。具体的には、基板11を浸漬するアルカリ
水溶液(KOH)の濃度を6mol/lとし、その浸漬
は、25℃において1時間行なった。また、基板11,
第1の合成液,第1の水熱合成処理,第2の合成液,お
よび第2の水熱合成処理は、上記実施例1と同様とし
た。Fifth Embodiment A fifth embodiment is a manufacturing method similar to that of the other embodiments. Specifically, the concentration of the aqueous alkali solution (KOH) for immersing the substrate 11 was 6 mol / l, and the immersion was performed at 25 ° C. for 1 hour. Also, the substrate 11,
The first synthesis solution, the first hydrothermal synthesis process, the second synthesis solution, and the second hydrothermal synthesis process were the same as in Example 1 above.
【0027】[0027]
【実施例6】実施例2は、上記実施例5において、基板
11のアルカリ水溶液への浸漬時間を8時間にしたもの
である。それ以外は、上記実施例5と同様である。[Embodiment 6] In Embodiment 2, the immersion time of the substrate 11 in the alkaline aqueous solution is set to 8 hours in Embodiment 5. Other than that is the same as the fifth embodiment.
【0028】[0028]
【実施例7】実施例7は、上記実施例5において、基板
11のアルカリ水溶液への浸漬時間を24時間にしたも
のである。それ以外は、上記実施例5と同様である。Seventh Embodiment In the seventh embodiment, the immersion time of the substrate 11 in the alkaline aqueous solution is set to 24 hours in the fifth embodiment. Other than that is the same as the fifth embodiment.
【0029】[0029]
【実施例8】実施例8は、上記実施例5において、基板
11のアルカリ水溶液への浸漬時間を48時間にしたも
のである。それ以外は、上記実施例5と同様である。Eighth Embodiment In an eighth embodiment, the immersion time of the substrate 11 in the alkaline aqueous solution is set to 48 hours in the fifth embodiment. Other than that is the same as the fifth embodiment.
【0030】[0030]
【比較例1】比較例1は、上記実施例1において、基板
11を第1の合成液へ浸漬(25℃において1時間浸
漬)する工程を除いたものである。それ以外は、上記実
施例1と同様である。Comparative Example 1 Comparative Example 1 is the same as Example 1 except that the step of immersing the substrate 11 in the first synthetic solution (immersing at 25 ° C. for 1 hour) is omitted. Other than that is the same as the first embodiment.
【0031】そして、上記実施例1〜8および比較例1
の製法により得られたPZT構造体10について、その
圧電定数を算出した。すなわち、まず、第2の水熱合成
処理ののち、PZT構造体10を取り出して蒸留水にて
超音波洗浄し、100℃において乾燥した。ついで、そ
のPZT構造体10から30mm×10mmのPZT構
造体10を切り出し、この切り出したPZT構造体10
の両面に銀ペーストを用いて電極(25mm×10m
m)を形成した。つぎに、図3に示すように、その電極
を形成したPZT構造体10の一端部を、他端部が10
mm突出するようにして、電極付き治具21で固定し、
他端部を自由端とした。そして、電極を形成したPZT
構造体10に電極付き治具21を介して、1秒間隔で断
続的に1Vから20Vまで1Vずつ上げて直流電圧を1
秒間印加し(図4参照)、各電圧の印加開始から1秒後
の自由端先端10aの変位量をレーザー変位計により測
定した。そして、各測定結果より、1〜20Vまでのそ
れぞれの変位量(μm)/電圧(V)を算出し、それら
の平均値をもとめた。また、PZT構造体10の厚み
(電極を除く)およびPZT構造体10の基板11の厚
みをマイクロメーターにより測定し、PZT構造体10
のPZT結晶膜12の厚みは、それらの差を2で割り算
出した。さらに、基板11のヤング率およびPZT構造
体10のヤング率は、JIS Z 2241により測定
した。これらの値ならびに電極を形成したPZT構造体
10の電極付き治具21からの突出長さを下記式
(1),(2)に代入し、PZT結晶膜12のヤング率
を算出し、PZT構造体10の圧電定数を求めた。これ
らの結果を、後記の表1に併せて示した。Then, the above Examples 1 to 8 and Comparative Example 1
The piezoelectric constant of the PZT structure 10 obtained by the above method was calculated. That is, first, after the second hydrothermal synthesis treatment, the PZT structure 10 was taken out, ultrasonically washed with distilled water, and dried at 100 ° C. Next, a 30 mm × 10 mm PZT structure 10 is cut out from the PZT structure 10, and the cut PZT structure 10 is cut out.
(25mm × 10m) using silver paste on both sides of
m) was formed. Next, as shown in FIG. 3, one end of the PZT structure 10 on which the electrode is formed is
mm, and fixed with a jig 21 with electrodes.
The other end was a free end. And PZT on which electrodes are formed
The DC voltage is increased by 1 V from 1 V to 20 V intermittently at intervals of 1 second in the structure 10 via a jig 21 with electrodes to reduce the DC voltage to 1
For 2 seconds (see FIG. 4), the displacement of the free end 10a one second after the start of the application of each voltage was measured by a laser displacement meter. Then, from each measurement result, the displacement amount (μm) / voltage (V) from 1 to 20 V was calculated, and the average value thereof was obtained. Further, the thickness of the PZT structure 10 (excluding the electrodes) and the thickness of the substrate 11 of the PZT structure 10 were measured with a micrometer, and the PZT structure 10 was measured.
The thickness of the PZT crystal film 12 was calculated by dividing the difference by two. Further, the Young's modulus of the substrate 11 and the Young's modulus of the PZT structure 10 were measured according to JIS Z 2241. By substituting these values and the length of the PZT structure 10 on which the electrodes are formed from the jig 21 with electrodes into the following equations (1) and (2), the Young's modulus of the PZT crystal film 12 is calculated, and the PZT structure is obtained. The piezoelectric constant of the body 10 was determined. The results are shown in Table 1 below.
【0032】[0032]
【数1】 (Equation 1)
【0033】[0033]
【数2】 (Equation 2)
【0034】[0034]
【表1】 [Table 1]
【0035】上記表1の結果から、実施例1〜8の製法
によるPZT構造体10は、比較例1の製法によるPZ
T構造体10と比較して、圧電定数が大きくなっている
ことがわかる。From the results shown in Table 1, the PZT structure 10 manufactured by the method of Examples 1 to 8 is different from the PZT structure manufactured by the method of Comparative Example 1.
It can be seen that the piezoelectric constant is larger than that of the T structure 10.
【0036】なお、上記各実施の形態および各実施例で
は、第2の合成液にTiCl4 を含ませたが、これに限
定されるものではなく、チタン塩であれば、TiCl4
に代えて硫酸チタン,チタン化合物等でもよい。[0036] In the embodiments and examples of the above embodiments, but was included TiCl 4 in the second synthesis solution, is not limited to this, if titanium salt, TiCl 4
May be replaced by titanium sulfate or a titanium compound.
【0037】また、上記各実施の形態および各実施例で
は、PZT結晶膜の製法を2段階に分けて行なったが、
第1の合成液にTiCl4 等のチタン塩を含ませて1段
階で行なってもよい。In each of the above embodiments and examples, the method of manufacturing the PZT crystal film is performed in two steps.
The first synthesis solution may include a titanium salt such as TiCl 4 , and may be performed in one step.
【0038】また、上記各実施の形態および各実施例で
は、第1の水熱合成処理に先立ってTi製基板11を浸
漬する第1の合成液等や第2の合成液は、KOHを含む
アルカリ水溶液であるが、アルカリ水溶液であれば他で
もよい。In each of the above embodiments and examples, the first synthetic solution or the like or the second synthetic solution in which the Ti substrate 11 is immersed prior to the first hydrothermal synthesis process contains KOH. Although it is an alkaline aqueous solution, any other alkaline aqueous solution may be used.
【0039】また、上記各実施の形態および各実施例で
は、25℃において基板11を第1の合成液やアルカリ
水溶液に浸漬したが、5〜100℃の範囲において浸漬
することが好ましい。また、その浸漬する時間は、1〜
48時間の範囲であることが好ましい。さらに、上記浸
漬は、浸漬に用いる第1の合成液やアルカリ水溶液を攪
拌しながら行なうことが好ましい。In each of the above embodiments and examples, the substrate 11 is immersed in the first synthesis solution or the alkaline aqueous solution at 25 ° C., but is preferably immersed in the range of 5 to 100 ° C. Also, the immersion time is 1 to
Preferably it is in the range of 48 hours. Further, it is preferable that the above-mentioned immersion is performed while stirring the first synthetic solution or the alkaline aqueous solution used for the immersion.
【0040】[0040]
【発明の効果】以上のように、本発明のPZT薄膜の製
法によれば、水熱合成に先立ってチタン成分を表面に有
する基板を下記(A)のアルカリ水溶液または下記
(B)のアルカリ水溶液に浸漬するため、上記基板が化
学的にエッチングされて基板表面が凹凸化し、基板表面
のチタンがイオン化しやすくなっている。このため、水
熱合成を始める際には、水熱合成に用いるアルカリ水溶
液中において、基板表面でのチタンのイオン化を充分に
行なうことができる。(A)鉛化合物およびジルコニウ
ム化合物を含有するアルカリ水溶液。(B)鉛化合物,
ジルコニウム化合物およびチタン化合物のいずれも含有
しないアルカリ水溶液。As described above, according to the method for producing a PZT thin film of the present invention, prior to hydrothermal synthesis, a substrate having a titanium component on its surface is treated with an alkaline aqueous solution of the following (A) or an alkaline aqueous solution of the following (B). Because the substrate is immersed in the substrate, the substrate is chemically etched, and the surface of the substrate is made uneven, so that titanium on the substrate surface is easily ionized. Therefore, when hydrothermal synthesis is started, titanium ionization on the substrate surface can be sufficiently performed in an alkaline aqueous solution used for hydrothermal synthesis. (A) An alkaline aqueous solution containing a lead compound and a zirconium compound. (B) lead compounds,
An alkaline aqueous solution containing neither a zirconium compound nor a titanium compound.
【0041】また、本発明のPZT薄膜の製法におい
て、上記(A)のアルカリ水溶液がチタン化合物を含有
している場合にも、基板表面でのチタンのイオン化を促
進させることができる。In the method for producing a PZT thin film of the present invention, even when the aqueous alkali solution (A) contains a titanium compound, the ionization of titanium on the substrate surface can be promoted.
【0042】そして、本発明のPZT薄膜の製法により
得られたPZT構造体は、水熱合成に用いたアルカリ水
溶液中において、基板表面でのチタンのイオン化が充分
に行なわれているため、PZT結晶核からなる第1の膜
の表面部分でも、チタン成分が充分に含有されている。
したがって、上記PZT構造体の圧電定数は充分に向上
したものとなっている。In the PZT structure obtained by the method for producing a PZT thin film of the present invention, the titanium ion is sufficiently ionized on the substrate surface in the aqueous alkali solution used for hydrothermal synthesis. The titanium component is also sufficiently contained in the surface portion of the first film composed of the nucleus.
Accordingly, the piezoelectric constant of the PZT structure has been sufficiently improved.
【図1】本発明のPZT薄膜の製法の一実施の形態を示
す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view showing one embodiment of a method for producing a PZT thin film of the present invention.
【図2】上記製法により得られたPZT構造体を示す説
明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a PZT structure obtained by the above manufacturing method.
【図3】上記PZT構造体の圧電定数を算出する方法を
示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a method for calculating a piezoelectric constant of the PZT structure.
【図4】上記PZT構造体への直流電圧の印加方法を示
すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a method of applying a DC voltage to the PZT structure.
【図5】基板にPZT結晶核が生成した状態を示すSE
M写真である。FIG. 5 shows SE showing a state in which PZT crystal nuclei are generated on a substrate.
It is an M photograph.
【図6】基板に第1の膜が形成された状態を模式的に示
す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing a state in which a first film is formed on a substrate.
【図7】基板にPZT結晶が成長した状態を示すSEM
写真である。FIG. 7 is an SEM showing a state in which a PZT crystal has grown on a substrate.
It is a photograph.
【図8】基板に第2の膜が形成された状態を模式的に示
す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing a state in which a second film is formed on a substrate.
Claims (3)
(A)のアルカリ水溶液中に保持して100〜250℃
の温度で水熱合成することにより上記基板表面にPZT
薄膜を形成するPZT薄膜の製法であって、上記水熱合
成に先立って上記基板を下記(A)のアルカリ水溶液ま
たは下記(B)のアルカリ水溶液に浸漬することを特徴
とするPZT薄膜の製法。 (A)鉛化合物およびジルコニウム化合物を含有するア
ルカリ水溶液。 (B)鉛化合物,ジルコニウム化合物およびチタン化合
物のいずれも含有しないアルカリ水溶液。1. A substrate having a titanium component on its surface is held in an alkaline aqueous solution of the following (A) at 100 to 250 ° C.
PZT on the substrate surface by hydrothermal synthesis at a temperature of
A method for producing a PZT thin film for forming a thin film, wherein the substrate is immersed in the following alkaline aqueous solution (A) or alkaline aqueous solution (B) prior to the hydrothermal synthesis. (A) An alkaline aqueous solution containing a lead compound and a zirconium compound. (B) An alkaline aqueous solution containing neither a lead compound, a zirconium compound nor a titanium compound.
合物を含有している請求項1記載のPZT薄膜の製法。2. The method for producing a PZT thin film according to claim 1, wherein the aqueous alkali solution (A) contains a titanium compound.
法により得られたことを特徴とするPZT構造体。3. A PZT structure obtained by the method for producing a PZT thin film according to claim 1.
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| JP2000186860A JP2002012424A (en) | 2000-06-21 | 2000-06-21 | Method of producing pzt thin film and pzt structure obtained thereby |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| EP1331284A1 (en) * | 2002-01-21 | 2003-07-30 | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology | Lead zirconate titanate fiber and use for actuators and sensors |
| JP2008067099A (en) * | 2006-09-07 | 2008-03-21 | Toin Gakuen | Array type ultrasonic probe and its manufacturing method |
-
2000
- 2000-06-21 JP JP2000186860A patent/JP2002012424A/en active Pending
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| US6963157B2 (en) | 2002-01-21 | 2005-11-08 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Lead zirconate titanate fiber, smart board using lead zirconate titanate fiber, actuator utilizing smart board, and sensor utilizing smart board |
| JP2008067099A (en) * | 2006-09-07 | 2008-03-21 | Toin Gakuen | Array type ultrasonic probe and its manufacturing method |
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