国立产业技术综合研究所［会长：中钵良二］（以下简称“AIST”）制造技术研究部[研究部部长市川直树]传感材料研究组首席研究员上原雅人、副研究部部长秋山森人等人与村田制作所[代表董事兼社长村田恒夫]（以下简称“村田制作所”）合作，在不使用昂贵元素的情况下开发了世界最高水平性能的氮化物压电材料
它是一种压电材料氮化铝 (AlN)很贵Q值移动通信FBAR高频滤波器，但未来通信方法的发展需要压电性能的改进。稀土是其中之一钪 (Sc)氮化铝极大地提高了压电性能，但钪极其昂贵，人们一直在寻找可以替代它的元素。
这次氮化铝便宜镁 (Mg)和铌 (Nb)，我们实现了与钪掺杂氮化铝相同水平的压电性能。该性能在氮化物压电材料中是世界最高的，并且由于不含稀土并且可以低成本制造，因此有望应用于下一代高频滤波器。此外，还需要大量的传感器物联网是啊智能制造等传感器网络的关键器件。
该技术的详细信息将于 2016 年 3 月 19 日在东京工业大学（东京目黑区）举行的第 63 届日本应用物理学会春季会议上公布。
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| 制作的压电薄膜的横截面电子显微照片（左图）和晶体结构示意图（右图） |
选择各种频率的高频滤波器是智能手机等通信设备的重要组成部分之一。其中，FBAR高频滤波器有望用于下一代通信设备。氮化铝是一种压电材料，具有很高的Q值，因此几乎所有FBAR滤波器都使用它，但未来随着通信向更高频率发展以及频段变得更加紧密，压电性能需要大幅改进。
另一方面，为了实现物联网、智能制造等传感器网络，需要大量具有传感器功能和自发电功能的廉价设备。氮化铝也是一种具有出色高温稳定性的压力传感器，也有望通过振动产生电能。然而，目前的压电性能较低，不足以用于传感器网络。
AIST 通过在氮化铝中添加钪，显着提高了压电性能。然而，钪价格昂贵，使其作为组件的制造成本极其昂贵，使其难以在高频滤波器中使用。因此，需要寻找能够提高与钪相当的压电性能的替代元素。
包括海外在内的多个机构正在寻找廉价的钪替代元素，并且正在对同时添加两种元素进行研究。然而，到目前为止，只有报道称其性能约为钪添加剂的一半。因此，产业技术研究所与村田制作所联合研究，研究了同时添加各种两种元素的效果，旨在提高氮化铝的压电性能。
为了提高氮化铝的压电性能，我们研究了添加除钪以外的元素的效果。样本是三元同时反应溅射法，同时溅射铝(Al)和添加元素并与氮反应。当我们研究添加几种元素的影响时，我们发现添加镁和铌可以显着提高压电性能。
图1显示了所制造样品的压电性能与每种制造条件（压力、温度、铌/镁成分比）下添加的镁和铌的量之间的关系。当镁和铌的添加总量约为065时，压电性能与添加钪相当（压电常数d33：22 pC/N）。这是目前报道的世界上不含钪（一种昂贵的稀土）的氮化物的最高值。在其他元素的研究中，性能仅为掺钪氮化铝的一半左右。这种材料具有与掺钪材料相当的压电性能，并且可以低成本生产，有望应用于下一代高频滤波器。此外，改进的压电性能使得能够以更高的效率从振动中产生电能，预计它将被用作支持物联网和智能制造等传感器网络实现的设备。
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| 图1 镁、铌的总添加量与不同条件下制备的样品的压电性能 |
图2显示了新开发的镁/铌掺杂氮化铝的晶体结构。在掺钪氮化铝和其他报道的例子中，晶格a轴（水平）更长c轴（垂直）/a当轴（水平）比变小时，并且结构变为离子更容易在垂直方向移动的结构时，压电性能会提高。同样，对于该材料，随着镁和铌的添加总量的增加，晶格发生变化。a轴（水平）更长，c轴（垂直）/a发现轴（水平）比率变小。我们正在继续研究改善压电性能的详细原因。
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| 图2 所制备样品的晶格常数对镁和铌添加总量的依赖性 |
我们将分析新开发的镁/铌掺杂氮化铝的内部结构，并阐明其高压压电性能的机理。我们还计划研究添加其他元素的影响并寻找具有高压性能的氮化物压电材料。