JP4473249B2 - 強誘電分域アレイ構造及びその製造方法、及び該構造を有する強誘電フィルム - Google Patents

Description

本発明は、強誘電分域アレイ構造及びその製造方法、及び該強誘電分域アレイ構造を有する強誘電フィルムに関するものである。

強誘電材料は、多方向で自発分極という特性を持つ圧電材料だった。強誘電材料の単位セル内部の原子が異なる積み重ね構造（例えば、カルシウムチタン鉱構造）を有することによって、正負電荷が相対的に変位し、電気双極子モーメントを形成する。これにより、外部電界を印加しなくても、単位セルは自発分極を生じ、且つ、外部から印加する電界により、該自発分極の方向を反転し、又は方向決めることができる。強誘電結晶内部は、複数の小さい区域に分けられ、自発分極の方向が一致する区域は、強誘電分域と称して、簡単に電区と称する。該分域と該分域との間の界面は、分域壁と称する。

現在、強誘電材料は、ナノ構造組立及び光子結晶などの分野で、比較的大きな潜在的な利用価値を有する。（１）ナノ構造組立の利用分野において、主に帯電粒子が強誘電分域分極の方向に対して選択性を持つ特性を利用する。例えば、非特許文献１を参考して、強誘電材料の表面分極を利用して、各種のナノ構造を便利に組み立てることができるという現象を記載している。（２）光子結晶の利用分野において、主に強誘電分域分極化の逆方向は非線形光学係数の反逆符号を引き起こす特性を利用する。非特許文献２を参考することができ、Ｂｅｒｇｅｒは、準位相にマッチングする材料に対した研究を一次元から二次元まで拡張されており、且つ非線形光子結晶に関する概念を提示した。

前記応用において、非常に肝心な一歩は、必要とする特定分域構造を生成するものだった。現在、よく使われる特定分域構造を生成する方法として、以下の数種類の方法を含む。例えば、化学的拡散（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、電界ポリング（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ Ｐｏｌｉｎｇ）、電子ビーム（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍｓ）或いはプローブ探針（Ｐｒｏｂｅ Ｔｉｐｓ）で直接に書くなどだった。しかし、前記よく使われる方法において、化学的拡散、電子ビーム及び測定子で直接に書くなどの方法を利用して、ナノオーダー（１ミクロンより小さい）強誘電分域構造を製造する効率は低く、現在、電界極化を利用しては、強誘電分域構造を製造し難い。そのため、強誘電材料のナノ構造組立分野における応用が大いに制限される。
「Ａｔｏｍｉｃ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｌｏｃａｌ Ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｎ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅ： Ａ Ｎｅｗ Ｒｏｕｔｅ ｔｏｗａｒｄ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、Ｋａｌｉｎｉｎ等、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ.、２００２年、Ｖｌｏ.２、 Ｎｏ.６、 ５８９〜５９３ 「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｂｅｒｇｅ、Ｐｈｙｓ. Ｒｅｖ. Ｌｅｔｔ.、１９９８年、Ｖｏｌ.８１、Ｎｏ.１９、４１３６〜４１３９

本発明は、ナノオーダーの強誘電分域構造を有し、且つ製作が簡単な強誘電分域アレイ構造を提供することを第一目的とする。

本発明は、ナノオーダーの強誘電分域構造を有し、且つ製作が簡単な強誘電分域アレイ構造の製造方法を提供することを第二目的とする。

本発明は、前記強誘電分域アレイ構造を持つ強誘電フィルムを提供することを第三目的とする。

前記第一目的を達成するため、本発明に係る強誘電分域アレイ構造は、複数の強誘電分域構造を備え、前記強誘電分域構造はナノオーダー直径を持ち、且つ、強誘電フィルムの内に三角格子状に緊密に配列される。

前記第二目的を達成するため、本発明に係る強誘電分域アレイ構造の製造方法は、一つの表面を備え、且つ一定の厚さを有する強誘電フィルムを提供するステップと、前記強誘電フィルムに、前記表面に垂直なように、一定の電界を印加することにより、前記強誘電フィルム内に、強誘電分域アレイ構造を形成するステップとを備える。

前記第三目的を達成するため、本発明に係る強誘電フィルムは、強誘電分域アレイ構造を備え、前記強誘電分域アレイ構造は、複数の強誘電分域構造を備え、前記強誘電分域構造はナノオーダー直径を持ち、且つ、隣強誘電フィルムの内に三角格子状に緊密に配列される。

本発明の強誘電分域アレイ構造及びその製造方法、及び該強誘電分域アレイ構造を持つ強誘電フィルムは、強誘電フィルムの表面に垂直にように、一定の電界を印加することに介して、前記一定の電界の極化作用によって、強誘電フィルム内の強誘電分域は、自ら強誘電分域アレイ構造を生成することができる。前記強誘電分域アレイ構造の製作工藝は簡単で、且つ、前記強誘電分域アレイ構造の強誘電分域構造はナノオーダー直径を有する。

以下、図面を結び付けて、本発明の実施形態について、さらに詳しく説明する。

図１は、本発明の実施形態の強誘電分域アレイ構造の構成を示す平面図である。前記強誘電分域アレイ構造１００は、複数の強誘電分域構造１２０を備え、前記強誘電分域構造１２０は、ナノオーダー直径（１ミクロンより小さい）を持ち、強誘電フィルム１０’の内に三角格子状に、緊密に配列される。

図１に示すように、前記強誘電フィルム１０’は、ジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ_３）からなる強誘電フィルムであって、その大きさは４３×４３×４個の単位セル（Ｕｎｉｔ Ｃｅｌｌ）であり、即ち、その長さと幅はいずれも４３個の単位セルの厚さであり、その厚さは四つの単位セルの厚さであり、単位セルごとの厚さは、約０．４ナノメートルである。もちろん、前記強誘電フィルム１０’は、ほかの材質からなる強誘電フィルムでもよく、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、マグネシウム酸ニオブ酸鉛（ＰｂＭｇＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、燐酸酸化チタンカリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ヒ酸酸化チタンカリウム（ＫＴｉＯＡｓＯ_４）、燐酸酸化チタンルビジウム（ＲＴｉＯＰＯ_４）、ヒ酸酸化チタンルビジウム（ＲＴｉＯＡｓＯ_４）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などであって、毎種類の強誘電フィルムの単位セルの大きさは、製造する材料によって違う。ここで、フィルムというものは、一つの方向で２〜１００個の単位セルの厚さを持ち、ほかの二つの方向の原子は周期性に配列されたフィルムであって、準二次元材料だった。

各強誘電分域構造１２０は円形状の輪郭を有する。強誘電分域構造１２０の円形状の輪郭はすべて同じであること、すなわち、すべてが同じ直径を有するのが好ましい。また、各強誘電分域構造１２０は、強誘電フィルム１０’の厚さ方向全体に拡がっている。

いわゆる三角格子状に緊密に配列する方式というものは、隣接する強誘電分域構造１２０の中心の距離がほとんど同じである理想的な状態であり、図１に示すように、点線を使って表示された三角形は、正三角形に似ている。前記三角格子状に緊密に配列された強誘電分域アレイ構造１００の結晶格子定数（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｌａｔｔｉｃｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）は、隣接する二つの強誘電分域構造１２０の中心の距離と同じで、約七つ単位セルの厚さであって、２．８ナノメートルだ。ここで、強誘電分域構造１２０の最大直径は、結晶格子定数の大きさに相当する。

前記強誘電分域アレイ構造１００の結晶格子定数は、強誘電フィルム１０’の厚さに係わり、強誘電フィルム１０’の厚さは大きければ大きいほど、その内に形成された強誘電分域アレイ構造１００の結晶格子定数は大きい。厚さの範囲が２〜１００個の単位セルの強誘電フィルムに対しては、その内に形成された強誘電分域アレイ構造の結晶格子定数の大きさの分布範囲は一般的に１〜１００ｎｍで、対応する強誘電分域構造の直径の大きさの分布範囲は１〜１００ｎｍだ。前記強誘電分域構造の直径の大きさは均一ならば、最もよい。

図２は、本発明の実施形態の強誘電分域アレイ構造の製造方法を示す図である。前記強誘電分域アレイ構造１００の製造方法は、以下のステップを備える。

（１）一定の厚さの強誘電フィルム１０を提供する。前記強誘電フィルム１０を形成する方法は、分子ビーム・エピタクシー（Ｍｏｌｅｃｕｌｅ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、移動強化エピタクシー（Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｅｐｉｔａｘｙ）、化学ビームエピタクシー（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属化学蒸着法（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、有機金属分子ビームエピタクシー（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などの方法からいずれか一つを選択して使用することができる。本実施形態は分子ビーム・エピタクシーを採用し、基板２０の上表面２２に、ジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ_３）の強誘電フィルム１０を形成し、前記強誘電フィルム１０の大きさは４３×４３×４個単位セルだ。前記基板２０は、基板２０及びその上表面２２に形成された強誘電フィルム１０の結晶格子構造のミスマッチング率が２％より小さいような材料を選択する。前記強誘電フィルム１０は、[００１]結晶方向に沿って成長されており、 [１００]及び[０１０] 結晶方向の原子が規則的に配列される。もちろん、前記強誘電フィルムの製造工程を適当に制御することを介して、前記強誘電フィルムを異なる結晶方向に沿って成長させることができる。

（２）前記強誘電フィルム１０の表面１２に垂直なように一定の電界を印加する。該電界は閾値電界より大きい又は等しい。厚さは、２〜１００個単位セルの厚さに相当する強誘電フィルムに対して、閾値電界の分布範囲は、１×１０^７〜５×１０^８ボルト／メートル（Ｖ/Ｍ）だ。本実施形態において、前記電界を印加する場合、前記基板２０の上表面２２に形成された強誘電フィルム１０を一対の平板電極３０の間に置いて、電圧源４０から平板電極３０に電圧を印加することに介して、前記強誘電フィルム１０に一定の電界を印加する。前記電界の方向は、ほとんど強誘電フィルム１０の表面１２に垂直に設置する。前記電圧は、閾値（最も小さい値）より大きい又は等しい場合に、強誘電分域アレイ構造を形成するための必要な電界を生成できる。前記強誘電フィルム１０内は、前記外部電界の分極作用によって、強誘電分域アレイ構造１００（図１に示すように）を形成し、従って、図１に示す強誘電フィルム１０’を獲得することができる。前記強誘電フィルム１０’は、複数の強誘電分域構造１２０を備え、それぞれの強誘電分域構造１２０は、皆ナノオーダー直径を持ち、強誘電フィルム１０’内に三角格子状に緊密に配列される。前記強誘電分域構造１２０の分極の方向は一致する。強誘電分域構造１２０は、前記強誘電フィルム１０’を貫通する。

前記電圧の閾値は、強誘電フィルム１０の厚さに関する。前記強誘電フィルム１０の厚さは大きければ大きいほど、必要とする電圧の閾値は大きい。２〜１００個単位セルの厚さの強誘電フィルムに対して、必要とする電界の閾値分布範囲は、一般的に０．１〜１０ボルト（Ｖ）であって、対応する電界の大きさの分布範囲は１×１０^７〜５×１０^８ボルト／米（Ｖ/Ｍ）である。本実施形態において、強誘電フィルム１０の厚さは、四つの単位セルの厚さに相当し、必要とする電圧の閾値は約０．２Ｖである。強誘電フィルム１０の表面１２に垂直なようにな２×１０^８Ｖ/Ｍの電界を印加することにより、強誘電分域アレイ構造１００を獲得することができる。

前記強誘電分域アレイ構造１００の強誘電分域構造１２０の直径は、印加する電界に関する。もし印加する電界が、一定の厚さの強誘電フィルム内に強誘電分域アレイ構造を形成するための必要な電界より大きければ、印加する電界が大きければ大きいほど、強誘電分域構造１２０の直径は小さい。しかし、強誘電分域アレイ構造１００の結晶格子定数はほとんど変えない。

理解することができるのは、ただ強誘電フィルムに、一定の大きさを持つ局部電界を印加することにより、強誘電フィルムの局部に強誘電分域アレイ構造を形成することができる。

本実施形態において、適当な強誘電フィルムの厚さ及び該強誘電フィルムに印加する電界の大きさを選択することにより、最後に獲得する強誘電分域アレイ構造の結晶格子定数及び強誘電分域構造の直径を便利に制御することができ、その製作工程は簡単だ。

また、本実施形態の強誘電分域アレイ構造の製造方法を採用して獲得した強誘電分域アレイ構造は、ナノ構造組立及び光子結晶などの分野に応用され、及びナノメモリデバイスを作り上げるテンプレートとすることができる。

本発明の実施形態の強誘電分域アレイ構造の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態の強誘電分域アレイ構造の製造方法を示す図である。

符号の説明

１０、１０’ 強誘電フィルム
１００ 強誘電分域アレイ構造
１２０ 強誘電分域構造
１２ 強誘電フィルムの表面
２０ 基板
２２ 基板の上表面
３０ 平板電極
４０ 電圧源

Claims (7)

1. １ナノメートル以上１００ナノメートル以下の直径の円形状の輪郭を有し、前記直径が相等しい複数の強誘電分域構造が、隣接する二つの強誘電分域構造の中心の距離を等しくし、かつ、前記中心の距離を１ナノメートル以上１００ナノメートル以下として、強誘電フィルム内に三角格子状に緊密に配列された強誘電分域アレイ構造であって、
   前記強誘電分域アレイ構造の結晶格子定数が、前記中心の距離と同じであることを特徴とする強誘電分域アレイ構造。
   
2. 前記複数の強誘電分域構造の分極方向は一致であることを特徴とする請求項１に記載の強誘電分域アレイ構造。
3. 一つの表面を備え、且つ一定の厚さを有する強誘電フィルムを提供するステップと、
   前記強誘電フィルムに、前記表面に垂直なように、１×１０ ^７ 〜５×１０ ^８ ボルト／メートルの範囲の一定の電界を印加することにより、前記強誘電フィルム内に、請求項１に記載の強誘電分域アレイ構造を形成するステップと、を備えたことを特徴とする強誘電分域アレイ構造の製造方法。
4. 前記強誘電フィルムの形成方法は、分子ビーム・エピタクシー、移動強化エピタクシー、化学ビームエピタクシー、有機金属化学蒸着法、又は有機金属分子ビームエピタクシーを含むことを特徴とする請求項３に記載の強誘電分域アレイ構造の製造方法。
5. 前記電界は、一対の平板電極の間に一定の電圧を印加することにより形成することを特徴とする請求項３に記載の強誘電分域アレイ構造の製造方法。
6. 前記電圧の最も小さい値の分布範囲は、０．１〜１０ボルトであることを特徴とする請求項５に記載の強誘電分域アレイ構造の製造方法。
7. 請求項１又は２に記載の強誘電分域アレイ構造を備えることを特徴とする強誘電フィルム。