日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）的傳感系統(tǒng)研究中心主任研究員平田研二、首席研究員秋山守人、主任研究員Anggraini Sri Ayu、研究員?浦泰資、主任研究員上原雅人、課題組長(zhǎng)山田浩志，以及國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人物質(zhì)?材料研究機(jī)構(gòu)的獨(dú)立研究者新津甲大組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功大幅提升了用于彈性波濾波器的氮化物壓電材料的性能。
圖 研究得到的ScAlN壓電常數(shù)（左）及薄膜結(jié)構(gòu)示意圖（右）
智能手機(jī)等無(wú)線通信設(shè)備中，搭載了許多用于提取特定頻率帶信號(hào)的頻率濾波器。其中一種目前主流的濾波器是彈性波濾波器，它配備了由壓電材料制成的薄膜，薄膜的壓電性能會(huì)影響所能提取信號(hào)的頻率帶。預(yù)計(jì)隨著通信方式的發(fā)展，需要更高頻率帶的彈性波濾波器，因此對(duì)薄膜的壓電性能提升提出了更高的要求。
目前，添加了鈧（Sc）的氮化鋁（AlN）薄膜（ScAlN）因其具有高壓電性能，而被廣泛應(yīng)用于彈性波濾波器的壓電材料。為了提高ScAlN的壓電性能，需要高濃度地將Sc固溶于AlN中，但Sc與AlN的混合性較差，因此尚未能實(shí)現(xiàn)模擬中預(yù)測(cè)的壓電性能。
此次，研究團(tuán)隊(duì)在ScAlN薄膜中引入了作為底層的镥（Lu）金屬，以提高Sc的固溶量，成功獲得了在氮化鋁基壓電材料中世界最高的35.5 pC/N的壓電常數(shù)。通過(guò)此次研究方法和所獲得的知識(shí)，預(yù)計(jì)在高頻通信中使用的彈性波濾波器的性能將有顯著提升。
此外，該論文《Enhancing the Piezoelectric Performance of Nitride Thin Films Through Interfacial Engineering》已于2025年1月15日在《Materials Today》上在線發(fā)布。DOI：10.1016/j.mattod.2024.12.011
圖 ScAlN的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和Lu的六方密排結(jié)構(gòu)
研究人員嘗試在制備 ScAlN 薄膜時(shí)引入镥（Lu）金屬底層來(lái)改善壓電纖鋅礦相的結(jié)晶度和取向。由于Lu具有與纖鋅礦結(jié)構(gòu)相同的六方晶體結(jié)構(gòu)，因此有望在Sc添加量較高的情況下，Lu具有促進(jìn)ScAlN結(jié)晶性和取向性維持的效果。
圖 ScAlN 薄膜橫截面結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖像（左：無(wú) Lu 底層，右：有 Lu 底層）
其結(jié)果是，AlN中Sc的固溶體量增加至50.8mol％，而之前認(rèn)為Sc的最大固溶體量為43mol％。所制備薄膜的橫截面結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖像證實(shí)，在具有Lu底層的ScAlN薄膜中，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶性和取向得到改善。當(dāng)實(shí)際測(cè)量這些薄膜的壓電常數(shù)時(shí)，獲得了35.5 pC/N的壓電常數(shù)，大大超過(guò)了2018年報(bào)道的41 mol% Sc固溶體31.6 pC/N的先前記錄。與沒(méi)有Lu底層的情況相比，該值更接近第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)的值，表明ScAlN的潛在壓電性能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。很明顯，與其他 AlN 基壓電材料相比，這是最高的壓電常數(shù)。到目前為止，人們一直認(rèn)為，由于在含有大量 Sc 的固溶體 ScAlN 中難以獲得具有高結(jié)晶性和取向性的薄膜，因此 Sc 在壓電常數(shù)中的增高存在極限這表明，通過(guò)發(fā)揮創(chuàng)造力，績(jī)效仍有提升空間。
圖 ScAlN薄膜的壓電常數(shù)與之前的實(shí)驗(yàn)值和第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)值的比較
圖 添加元素X的AlN中最大固溶量與壓電常數(shù)的關(guān)系
該研究成果有望應(yīng)用于提高高頻通信中使用的彈性波濾波器的性能。此外，AlN的壓電特性正在被考慮用于對(duì)自動(dòng)駕駛至關(guān)重要的距離傳感器，并且它還具有作為可提高傳感器靈敏度的材料的潛力。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃致力于開(kāi)發(fā)將更高濃度的 Sc 融入 ScAlN 薄膜的技術(shù)，并將其擴(kuò)展到其他材料系統(tǒng)。
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