不使用稀土 也能表现出高性能的压电材料吗「高性能稀土永磁材料」

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BAW滤波器的性能由压电材料决定

在5G中使用的通信设备中不可缺少的部件之一是高频滤波器（有效地通过必要的频带，切断不必要的频带）。其中，高频对应优异的BAW滤波器的性能可以说是由压电材料决定的。

压电是指对物质施加压力（机械刺激）时，表面电荷与压力成比例地出现的现象，将机械能转换为电能，或者相反将电能转换为机械能的性质的物质称为压电材料。手表、计算机、通信设备等不可缺少的东西，一个终端中有好几个使用了压电材料的零件。

“BAW滤波器是在硅基板上层叠下部电极和压电材料、上部电极的简单结构，有改良余地的只有压电材料。因此，如果能做出更好的压电材料，仅此就能提高滤波器的性能。”

制造技术研究部门秋山与上原和企业一起开发的压电材料，现在受到了世界的极大关注。不使用稀土，用廉价容易得到的元素实现了世界最高水准的压电性的「镁/铌添加氮化铝」。

BAW压电陶瓷的结构

智能手机采用了新的压电材料

故事要追溯到2000年代。秋山原本是氮化物压电材料的研究者，从2000年代前半期开始致力于汽车零件制造商和汽车用燃烧压传感器的共同研究。其中制造商提出的是“能否提高氮化铝薄膜的压电性”的要求。

“当时，压电性高的话一般都是氧化物（铌酸锂、压电常数20pC/N），关于氮化物的压电性提高的研究等几乎没有人亲自动手。被委托的时候，真的能做那样的事吗，一半不安，一半期待。”

虽然内心觉得很鲁莽，但秋山等人开始了提高压电性的研究。在几乎没有先行研究的情况下，不知道在怎样的条件下将哪个元素添加到氮化物中才能提高物性，对可能的元素进行了仔细的寻找。

“一般的元素很难取得好的结果，没有可以尝试的东西，考虑到将来的实用化就不想使用了，但是试了一下稀土钪。于是，将钪添加到氮化铝中，压电性大幅提高了。在此之前是6pC/N的压电常数提高到28pC/N“

那是2007年的事。虽然找到了好的材料，共同研究企业也很高兴，但最终这种材料在汽车零件上的采用至今还没有实现。

但是2013年，德国弗拉恩霍夫研究机构进行了补考，并在国际学会上发表了与秋山等人的实验结果相同的消息，这一材料再次引起了全世界的关注。

之后参加该研究的上原评价说：“由此，全世界的研究者的视线不仅集中在添加钪形成的材料本身，还集中在氮化物压电材料的潜力上。秋山的发现，可以说在材料的世界中产生了一个新的研究领域。”。

当时，对5G的技术开发进行了激烈竞争的通信业界，注意到了这一点。电子零件制造商很早就发现了作为BAW过滤器使用的材料的可能性，与产综研共同研究开始了特性评价。因此，确认了添加钪的氮化铝薄膜的高压电性，因此实际试制了BAW过滤器，2013年，在国际学会上发表了期待的性能。

于是，在BAW过滤器中拥有巨大世界市场的电子零件制造商将该材料采用在本公司的BAW过滤器中。由此，产综研开发的材料将搭载在智能手机上。

“全球智能手机销量14亿台，如果该电子元件厂商市场占5成，仅去年就生产了约500亿个BAW过滤器。全球人口77亿，数字上全世界的人都有6个过滤器。材料虽然不能成为主角，但就是这个。”很多人都能拥有。这才是材料的力量”（秋山）

用廉价的镁和铌开发无稀土压电材料

添加了钪的氮化铝薄膜被大量采用，但仍存在一个问题。据说钪是稀土。虽然性能良好，但在成本和稳定供给方面存在不安，企业要求开发使用其他元素的压电材料。

为了回应这个声音，产综研在所有条件下添加各种各样的元素，继续评价物性。但是，很难出现超过钪的物性。不仅没有超过，反而大幅下降，这是现实。

这时，日本的电子零件制造商在氮化铝中同时添加镁和氧化锆这两种元素，与以往相比，成功地产生了非常好的压电性。尽管如此，压电常数约为12pC/N，不到钪的28pC/N。但是，与之前尝试过的其他元素相比，数值相当高，这是事实。

“令人吃惊的是，我的想法是同时添加两种元素。无论是镁还是氧化锆，都是单独无法得出好数值的元素，没想到共同添加能提高物性。”（秋山）

受到刺激的秋山等人，立刻与企业一起开始了通过共添加的材料探索。

在早期阶段，判断共添加的材料之一可以是镁。另一种元素的选择花了很长时间。对于作为第4族过渡金属的氧化锆，决定以第5族的金属元素为目标，选择铌。这个选择没有错。采用三维同时反应溅射法，将镁和铌共添加到氮化铝中，压电性得到了飞跃性的提高。

在改变压力、温度、两种元素的组成比等的同时，寻找最佳的制作条件，2016年，上原等人发现，当镁和铌的添加量合计约为0.65时，压电常数提高到逼近钪的22pC/N。

“由于使用了廉价的元素产生了高的压电性，所以不用稀土的氮化物压电材料的应用终于进入了视野”（上原）

提高压电性扩大用途

压电材料的用途不仅仅是BAW过滤器。例如，麦克风。现在的麦克风的主流是静电电容式，不过，被认为今后更高灵敏度消耗电力也低的压电式伸长。美国已经开始销售压电式麦克风。产综研今后的市场性大大地能期待的麦克风用材料也作为目标。

另一个主要目标是指纹传感器。虽然是已经搭载在智能手机等上的认证技术，但由于现在主流的传感器将指纹识别为图像并进行认证，因此仅使用高精度的照片就有认证被破坏的危险。

“因此，通过超声波读取指纹的凹凸，制作3D地图，作为三维信息进行处理，提高安全性的研究正在进行中。我们认为这样的用途也可以应用我们的压电材料。”（秋山）

压电性提高，能够有效地从振动等中产生电能，这也是扩大压电材料用途的一大要点。

「现在，工厂的生产设备、土木基础设施等，都是连接传感器的网络，对设备进行异常诊断，但问题是传感器用的电源，几百、几千个传感器的电源一个一个地管理起来很费事，而且在人能维护的地方，传感器也很费事。」也不一定有。例如，汽车的胎压传感器安装在轮胎内部，所以更换电池很困难。秋山对此充满期待。

超越氧化物和氮化物的界限，开发出高性能的压电材料的契机，正如前面所述，是汽车零件制造商的要求，但是这样的企业的要求推动了产综研的发展。同时添加两种元素的想法也是从企业那里学到的。

“企业的各位的意见对我们来说是一种刺激，是一种巨大的推动力。实际上，根据企业的要求开始了共同研究，产生了氮化钪铝，现在受到了关注。在社会和市场上发生了什么，发生了什么问题，在什么样的地方感到为难呢？”请一定让我听听。我会全力以赴的”（上原）

“为了得到企业的信赖，我们也会继续提高技术力和研究力。一定要建立良好的信赖关系，一起推进研究。”（秋山）

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