Morito Akiyama（组长）和 Toshihiro Kamohara（博士后研究科学家）、过程测量团队、国家先进工业科学技术研究所 (AIST) 的测量解决方案研究中心（主任：Kazuo Igarashi）（主任：Hiroyuki Yoshikawa）以及电装株式会社 (DENSO) 电装研究实验室（总裁：Nobuaki Kato）联合成功制备了一种具有高耐热性和大压电性的新型复合氮化物压电薄膜。
一般来说，随着耐热性的增加（即居里点的增加；图1），物质的强压电性往往会降低。因此，制备耐热压电材料一直被认为是困难的。鉴于这一事实，该团队决定寻找合适的复合氮化物，而不是迄今为止很少研究的复合氧化物压电材料。发现由钪（Sc）固溶在氮化铝（AlN）中制成的复合氮化物薄膜具有五倍的压电性（压电常数d33：25pC/N)的AlN，在氮化物中具有最高的值。此外，这种复合氮化物的晶体结构即使加热至500°C也不会发生变化，因此即使在如此高的温度下也有望保持其压电性。此外，这种复合氮化物不含铅等有害元素，对环境友好，可以利用现有的半导体制造工艺进行制造，适合大规模生产；这使得它有利于用作新传感器。
部分结果将发表在德国期刊《Advanced Materials (Wiley-VCH Journals)》上。
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图1压电系数d之间的关系33压电陶瓷的最高使用温度。大多数是居里温度。 AlN 和 LGS 是已知的最高使用温度。 AN：氮化铝。 BT:钛酸钡3。位：双4钛3O12GP:GaPO4。 KN:KNbO3。 LF4:(K0.44娜0.52李0.04)(NB0.86Ta0.10锑0.04)3LGS:La3嘎5二氧化硅14。铌酸锂3。 PN:铌铌206PT:钛酸铅3。 PZNT:092Pb(Zn1/3ND2/3)O3-008PbTiO3。 PZT:Pb(Zr0.52钛0.48)O3SO:SiO2. |
环境退化，例如大气中二氧化碳 (CO2) 水平被认为是全球变暖的主要原因，而氮氧化物排放量的增加据说会导致酸雨；这些问题日益引起人们的关注。此外，与高油价相关的全球经济问题正在蔓延。因此，汽车、飞机、燃气涡轮发动机燃烧内部技术的进步以及减少油耗的需要需要开发高耐热燃烧压力传感器。需要具有耐热性和耐用性的振动传感器来提高老化发电厂和化工厂的安全性。然而，由于尚未开发出具有高耐热性和高压电性的压电材料，因此尚未开发出具有足够性能的燃烧压力传感器和高温振动传感器。
一般来说，随着耐热性的增加（即居里点的增加；参见图1），物质的压电性趋于降低。因此，制造高耐热且高压电材料一直被认为是困难的。然而，全世界对高温压电传感器的需求一直在迅速增长，这引发了人们对开发兼具耐热性和压电性的压电材料的强烈兴趣。
传统上，压电材料的研究一直集中在复合氧化物上。然而，不含铅等有害元素的氧化物在高温下无法实现足够的性能。工艺测量团队、AIST测量解决方案研究中心和DENSO的一组人员对压电材料领域尚未深入研究的氮化物进行了研究。复合氮化物如复合氮化镓（GaN）一直是LED和半导体激光器领域积极研究的焦点；然而，迄今为止，仅报道了几种压电氮化物，并且与复合氮化物压电性相关的研究实例很少。
为了寻找具有高耐热性和大压电性的压电材料，对作为压电材料很少研究的复合氮化物进行了研究，而不是对一般的复合氧化物压电材料进行了研究。通过制备各种元素和氮化铝（AlN）的固溶体薄膜来提高压电性，该薄膜具有低压电性和高耐热性。采用二元同步反应溅射法制备氮化物。铝和替代元素同时溅射并与氮反应。
对制备的薄膜的压电性进行评估和分析，如图2所示，压电性随固溶体中钪(Sc)的量的变化而变化，压电性为五倍(压电常数d33: 25pC/N) 氮化铝（AlN）固溶体中Sc含量为43%时的值，该值是所有已知氮化物中的最高值。压电材料通常在居里点以下仍保持其压电性，然后由于居里点处晶体结构的快速变化而失去压电性。这种复合氮化物薄膜的晶体结构即使加热至 500°C 也不会发生变化，因此有望在高温下保持压电性。
对该复合氮化物的晶体结构的测量（图3）表明，随着Sc浓度的增加，a晶胞的轴变长并且c它的轴变得更短。考虑到弹性模量等其他测量结果，认为该复合氮化物的压电性改善是由于以下两个因素：一是当铝被电负性较低的Sc取代时，电子局域化增加；二是随着Sc含量的增加，弹性模量降低，使其更容易变形。
这种复合氮化物材料不仅具有优异的压电性和耐热性，而且由于不含铅等有害元素，因此对环境友好。由于它可以制成薄膜，因此可以使用现有的半导体制造工艺进行制造，适合大规模生产。因此，该薄膜非常适合用作新型传感器和执行器等设备。
未来有望应用于汽车、飞机、发电机、化工厂等控制系统和安全管理系统
图 2 压电系数 d 的依赖性33Scx阿尔1-xN 合金对 Sc 浓度的影响。 |
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图 3 Sc 晶格常数的依赖性x阿尔1-xN合金对Sc浓度的影响。 （蓝、红、绿代表c轴长度，a轴长，转帐分别是轴比。)a和c轴长是通过使用电子束衍射图像计算的。 |
将阐明该复合氮化物的高压机理，并确定其使用阈值温度。由于它是压电氮化物，因此预计可在高压下使用，并将研究其耐压特性。目标是开发适用于高温、高压等恶劣环境的新型振动和压力传感器。