生体適合元素添加による高圧電特性MgSiO3(Si0.75 M0.25)O3)混晶薄膜の創製 KENZO NOSE*1, EIJI NAKAMACHI*1, YASUTOMO UETSUJI*2 *1 Doshisha University *2 Osaka Institute Technology １. 研究背景 既存の圧電材料の現状 Bio-MEMS 向けの新規生体適合圧電材料の必要性 主流 Pb（Zr,Ti）O3 LiNbO3 利点 高い圧電特性 欠点 生体毒性 In vivo device KNbO3 MgSiO3 (MSO) の展望 利点： 生体適合性圧電材料 欠点： 既存の圧電材料より圧電特性が低い →圧電特性の向上が不可欠 Micro energy device MSOに元素を添加することにより圧電特性を向上させる ヘルスモニタリングシステム, ドラッグデリバリーシステム 2. 第一原理計算によるMSO混晶の設計 非対称安定構造の探索 No Metal Insulat ion 1.0004 Calculation of stable cubic stracture Sn 1 Stable state 0.9996 0.9992 0 Yes 0.1 0.2 0.3 0.4 No phase transration 0.5 0.6 0.7 0.8 Distortion of crystal structure along the eigenvector dimensinalized with lattice constant Calcuｌaion of phonon Positive (C/m2) 0.6 Polarization Setting doped ion Zr Ti 結晶は非対称性構造をとり圧電性を有する Ti doped Eigenfrecency Negative Zr doped Sn doped charge density Calcuration of stable structure according to eigenvector Calcuration of functional characteristic tetragonal monocline tetragonal Ps y END 0.462 0.2 0.428 MSO (C/m2) 8 Zr Ti Sn 0.696 0.507 0.324 6 0.457 4 2 0 MSO Ti Zr Sn Ti添加が 最も高い 圧電応力定数 z x 0.529 0.587 0.4 Piezoelectric stress constant START Noｒmalized variation of total energy 第一原理計算による添加元素の探索 1.0008 3. Ti添加 MSO混晶薄膜の創製 Surface image Substrate Plasma Magnetic field Target 600 Displacement (pm) RF Magnetron Spattering Method Pure MSO 0 -600 d33 = 219.8 pm/V -5 Solenoid Magnet pm 800 Si(111)の基板の上に上部および下部電極としてCu， バッファ層としてTiをスパッタした 1000 Intensity SiO2（202） Cu（111） Si（111） MgO（300） Electrode(Cu) 0 Substrate(Si) 5 Ti doped MSO 0 d33 = 334.1 pm/V -800 -3 0 Voltage 3 V MgSiO3（111） Ti doped MSO Buffer(Ti) Displacement Ti添加MSOは表面粗さが小さい Ti添加MSO薄膜 0 Voltage (V) Ra = 1.87 nm 20 30 40 50 60 70 80 2θ（°） MSOにTiを添加することによりMSO より高い圧電特性を得ることが出来た MSO (111) のピークが認められた 5mm 4. 結論 第一原理計算により探索した生体適合元素のTi，Zr，Sn を添加したMSOの圧電応力定数は各々0.696 (C/m2) ,0.324 (C/m2) と 0.507 (C/m2)となった Tiを添加したMSOは純粋なMSOの1.52倍の値を示した Tiを添加したMSO薄膜の圧電定数 d33 は 354.8 pm/Vであった EMBC2013,Osaka Japan, [email protected], Doshisha University
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