日本产业技术综合研究所（AIST）的传感系统研究中心主任研究员平田研二、首席研究员秋山守人、主任研究员Anggraini Sri Ayu、研究员䕃浦泰资、主任研究员上原雅人、课题组长山田浩志，以及国立研究开发法人物质・材料研究机构的独立研究者新津甲大组成的研究团队，成功大幅提升了用于弹性波滤波器的氮化物压电材料的性能。
图 研究得到的ScAlN压电常数（左）及薄膜结构示意图（右）
智能手机等无线通信设备中，搭载了许多用于提取特定频率带信号的频率滤波器。其中一种目前主流的滤波器是弹性波滤波器，它配备了由压电材料制成的薄膜，薄膜的压电性能会影响所能提取信号的频率带。预计随着通信方式的发展，需要更高频率带的弹性波滤波器，因此对薄膜的压电性能提升提出了更高的要求。
目前，添加了钪（Sc）的氮化铝（AlN）薄膜（ScAlN）因其具有高压电性能，而被广泛应用于弹性波滤波器的压电材料。为了提高ScAlN的压电性能，需要高浓度地将Sc固溶于AlN中，但Sc与AlN的混合性较差，因此尚未能实现模拟中预测的压电性能。
此次，研究团队在ScAlN薄膜中引入了作为底层的镥（Lu）金属，以提高Sc的固溶量，成功获得了在氮化铝基压电材料中世界最高的35.5 pC/N的压电常数。通过此次研究方法和所获得的知识，预计在高频通信中使用的弹性波滤波器的性能将有显著提升。
此外，该论文《Enhancing the Piezoelectric Performance of Nitride Thin Films Through Interfacial Engineering》已于2025年1月15日在《Materials Today》上在线发布。DOI：10.1016/j.mattod.2024.12.011
图 ScAlN的纤锌矿结构和Lu的六方密排结构
研究人员尝试在制备 ScAlN 薄膜时引入镥（Lu）金属底层来改善压电纤锌矿相的结晶度和取向。由于Lu具有与纤锌矿结构相同的六方晶体结构，因此有望在Sc添加量较高的情况下，Lu具有促进ScAlN结晶性和取向性维持的效果。
图 ScAlN 薄膜横截面结构的电子显微镜图像（左：无 Lu 底层，右：有 Lu 底层）
其结果是，AlN中Sc的固溶体量增加至50.8mol％，而之前认为Sc的最大固溶体量为43mol％。所制备薄膜的横截面结构的电子显微镜图像证实，在具有Lu底层的ScAlN薄膜中，纤锌矿结构的结晶性和取向得到改善。当实际测量这些薄膜的压电常数时，获得了35.5 pC/N的压电常数，大大超过了2018年报道的41 mol% Sc固溶体31.6 pC/N的先前记录。与没有Lu底层的情况相比，该值更接近第一性原理计算预测的值，表明ScAlN的潜在压电性能已经实现。很明显，与其他 AlN 基压电材料相比，这是最高的压电常数。到目前为止，人们一直认为，由于在含有大量 Sc 的固溶体 ScAlN 中难以获得具有高结晶性和取向性的薄膜，因此 Sc 在压电常数中的增高存在极限这表明，通过发挥创造力，绩效仍有提升空间。
图 ScAlN薄膜的压电常数与之前的实验值和第一性原理计算预测值的比较
图 添加元素X的AlN中最大固溶量与压电常数的关系
该研究成果有望应用于提高高频通信中使用的弹性波滤波器的性能。此外，AlN的压电特性正在被考虑用于对自动驾驶至关重要的距离传感器，并且它还具有作为可提高传感器灵敏度的材料的潜力。研究团队计划致力于开发将更高浓度的 Sc 融入 ScAlN 薄膜的技术，并将其扩展到其他材料系统。
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