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摘要：通过自研的独特薄膜沉积技术——“双轴组合溅射法”，在单个衬底上沿两个方向连续改变生长温度和成分，成功在半导体衬底（硅晶圆）上制作出无铅压电单晶薄膜，同时大幅提升了研发效率，将实验所需探索时间缩短至约1/50。

关键词：无铅压电材料、薄膜沉积法、硅晶圆衬底、振动发电、诱导结构相变

要点

采用广泛用于电子器件制造的溅射法，在半导体衬底（硅晶圆）上制作出无铅压电单晶薄膜。
利用一种可在单块衬底上同时评估多种薄膜沉积条件的方法（图1①），实现了材料性能的高效优化。
使用优化后的材料试制超小型振动发电器件，证实其性能提高了5倍。

图1 研究概述：高效材料探索与半导体衬底上的性能提升

概要

压电材料是一种受力时能产生电能、通电时能改变形状的材料，广泛应用于压力传感器、耳机等设备。据报道，作为一种无铅压电材料备受关注的氧化铋铁（BiFeO₃，BFO）在压缩力作用下压电性能会提升，但这种效应被认为难以应用于实际的半导体衬底。

研究小组通过积极利用拉伸应变这一想法，成功在半导体衬底上诱导了BFO的结构相变，从而提升了压电特性（图1②）。这一研究结果有望大大推动无铅压电材料的实用化进程。

研究背景

压电材料是一种具有特殊性质的材料，受力时能产生电能、通电时能改变形状。利用这种性质，压电材料广泛应用于智能手机等设备中的高频滤波器和打印机，近年来还被广泛应用于耳机等我们日常生活中的各种电子设备。

作为压电材料的一种新应用，研究小组致力于开发一种从振动中提取电能的振动发电器件。我们周围的环境充满了微小的振动能量，例如机械振动、人类运动和交通振动等。利用压电材料，可以将这些“微小环境能量”转化为电能。尤其对于难以更换电池的设备，例如物联网传感器和可穿戴器件，若能从周围的振动中发电，便有可能延长电池寿命，甚至完全省去电池。

目前，性能最高的压电材料是含铅的锆钛酸铅（PZT）。但铅是一种对人体和环境有害的物质，国际环境法规也日益严格，因此迫切需要使用无铅材料来实现高性能。无铅的氧化铋铁（BiFeO₃，BFO）具有相对较高的压电性能和适中的介电常数，使其适用于传感器和发电器件，因此作为一种有前景的无铅压电材料而备受关注。然而，使用该材料制造的器件性能还不足，尚未达到实用化水平。

与此同时，在材料科学的基础研究中，人们发现了一种利用“应变诱导结构相变”这一现象来提高BFO性能的方法。将BFO薄膜生长在特定的氧化物单晶衬底（SrTiO₃、LaAlO₃等）上时，由于衬底与BFO晶格之间的尺寸差异，会对BFO施加压缩力（压缩应变）。据报道，这种力会导致BFO晶体结构发生变化（相变），从而显著提升其压电性能（图2上）。

图2 传统研究（上）与本研究（下）在利用应变提升压电特性方面的差异

然而，一个主要的挑战在于，由于硅与BFO之间的热膨胀系数不同，这一效果无法在实际器件制造中使用的硅晶圆上得到应用。硅的热膨胀系数非常小（约为3×10^-6/℃），而BFO的热膨胀系数相对较大（约为1×10^-5/℃）。因此，当在高温（约500℃）下生长BFO薄膜，然后冷却至室温时，BFO会受到拉伸应力（拉伸应变）的影响，而不是压缩应力。因此，人们认为在氧化物单晶衬底上观察到的压缩应变引起的性能提升效果不能在实际的硅晶圆上得到应用。

研究内容

本研究通过转变思路，将以往被视为挑战的“拉伸应变”反过来加以积极利用，以此来改变BFO的晶体结构。其目标是在实际制造器件所用的硅晶圆上，通过应变诱导结构相变提升压电特性（图2下）。

然而，实现这一目标面临若干技术难题。首先，为了实现应变诱导结构相变，需要在硅晶圆上高质量地生长出单晶态的BFO薄膜。并且，考虑到器件的实用化，必须仅使用半导体行业广泛使用的溅射方法来实现这一目标。此外，为了利用热膨胀系数差来优化所施加拉伸应变的大小，必须对生长温度进行精确控制和优化。然而，由于BFO中所含的铋（Bi）是一种熔点较低的金属，因此存在一个难题，即改变生长温度会因再蒸发而改变成分。

使用传统方法找到满足所有这些条件的最佳点需要大量的实验和时间。为了一次性解决这些问题，本研究小组开发出一种独特的薄膜沉积技术——“双轴组合溅射法”。通过这种方法，可以在单个衬底上沿两个方向连续改变生长温度和成分。本研究在单次实验中同时探索25种不同的条件，并将评估所需时间缩短了大约一半，从而将找到最佳条件所需的时间缩短至约1/50。

本研究取得了以下突破性成果。

成果1：实现了世界最高的压电性能

实现了压电系数e_31,f=-6.0C/m²（为传统BFO取向薄膜的1.5倍，且为目前文献报道的最高值）
在世界上首次证实了在拉伸应变条件下，通过应变诱导结构相变可提升性能

成果2：实现了高性能MEMS振动发电器件

利用优化后的锰掺杂BFO（BFMO）薄膜，实际制造了一种超小型振动发电器件（MEMS）：

电机耦合系数K²=0.5%（是传统（100）取向BFO薄膜的5倍）
性能指数K²Q_m=2.7（约为传统BFO的3.4倍，高性能可与PZT相媲美）

成果3：证实了实用的宽带发电

对瞬时冲击输入（脉冲激励）响应的评估结果：

实现了与传统BFO相当的输出电压，且重量减半
输出的衰减时间缩短至约1/3（1.2秒vs3.4秒）
证实了适合从宽带环境振动中发电的特性

预期效果与未来展望

本研究表明，即使是无铅压电材料，也有可能实现实用水平的MEMS。尤其是无需使用特殊晶体衬底，仅在普通硅晶圆上通过溅射法即可制造单晶材料，这一点对未来量产和产业应用具有巨大优势。

未来，研究团队计划将其应用扩展到智能传感器、物联网设备和自供电器件。通过无铅压电材料的实用化，有望为减少环境影响做出贡献。

https://www.omu.ac.jp/info/research_news/entry-22870.html

https://doi.org/10.1038/s41378-026-01177-5

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