― 格子緩和・内部応力・結晶秩序の観点から ―
1. 研究背景と未解決問題
ScAlN は、wurtzite AlN に Sc を置換することで
- wurtzite 構造と層状六方晶構造の自由エネルギーの接近
- 両者を結ぶ構造変位方向に沿った自由エネルギー曲面の曲率の低下
を引き起こし、理論的には極めて大きな圧電応答（d₃₃ ≳ 100 pC/N）が予測されてきた。
しかし実験的には、
- 実用Sc組成（~20–30%）では
d₃₃ ≈ 10–15 pC/N に留まる - 高Sc組成では
- rock-salt相への相転移
- 結晶不安定化
により圧電性が失われる
という 「理論–実験ギャップ」 が長年未解決であった。
本研究は、このギャップの主要因が
「成膜後に凍結された内部応力・格子歪み・ドメイン無秩序」
にあることを実験的に示した点で重要である。
2. 実験の本質：post-growth annealing の役割
2.1 成膜条件は“変えていない”
- PVD（reactive magnetron sputtering）
- Sc₀.₃Al₀.₇N
- 膜厚 100 nm
- N-polar
👉 成膜起因の効果ではないことが明確
2.2 圧電応答の増大は温度支配
- 最適条件：700 °C, 2 h
- d₃₃：
- as-grown：12.3 pC/N
- annealed：45.5 pC/N（×3.5）
重要なのは：
- アニール時間依存性は緩やか
- 温度依存性は極めて急峻
👉 熱活性化された格子再配列・応力緩和が支配的
3. 計測の信頼性：d₃₃,f の一貫性
本研究で評価されているのは d₃₃,f（effective converse coefficient） であり、
- PFM
- LDV
- Displacement–Voltage loop
の 3系統で一致している。
特に重要なのは、
- ε₃₃ はほぼ変化しない（~17）
- d₃₃,f のみが二乗的に増大
その結果、
が
13.8% → 76.2% に跳ね上がる。
これは、
- 厚さ100 nm
- 基板拘束あり
という条件下で得られており、
実質的に異常値といってよい。
4. 結晶学的起源：c/a 比低下の決定的証拠
4.1 d₃₃ と格子定数の理論的関係
wurtzite 圧電体では近似的に： d33≈ε0e33χ33d_{33} \approx \varepsilon_0 e_{33} \chi_{33}d33≈ε0e33χ33
- e₃₃：polarization–strain coupling
- χ₃₃：polarization–electric field coupling
既存理論・DFT研究では：
- c/a 比の低下
- → e₃₃ ↑
- → χ₃₃ ↑
が一貫して報告されている。
4.2 STEM による直接観測
本研究の最大の強みは、
- dDPC-STEM（局所・原子分解能）
- 4D-STEM + EWPC（統計的・高精度）
を組み合わせ、
- c/a 比低下を“直接測定”した点である。
測定結果（代表値）
- dDPC-STEM
- c/a：1.542 → 1.522
- 4D-STEM EWPC
- c/a：1.560 → 1.553
主因は：
- a 軸の増大（面内緩和）
- c 軸はほぼ不変
👉 in-plane tensile relaxation が支配的
5. 内部応力・ドメイン・柱状粒の役割
5.1 応力緩和と圧電応答
DFPT研究（Daoust et al. など）では：
- 面内引張応力 σᵣ > 0
→ d₃₃ 増大
が理論的に示されている。
本研究の annealing は、
- 成膜時に蓄積された圧縮応力を部分的に解放
- 結果として
- a 軸拡張
- c/a 低下
をもたらしたと解釈できる。
5.2 柱状結晶とクランプ効果
- 柱状粒径：5–30 nm
- annealing 後も形態は維持
PZT などの既知研究と同様、
- 粒間クランプの低減
- 有効 d₃₃,f の増大
が寄与している可能性が高い。
6. 本質的な示唆：ScAlNは「まだ限界ではない」
重要なのは著者ら自身が述べている通り、
- 本研究の d₃₃,f は
基板拘束下 - free-standing 化すれば
→ さらに 50–75% 増大する可能性
これは、
- 高Sc化
- Y, La など III族置換
- 応力設計（buffer, release）
と組み合わせることで、
理論限界に近づく現実的ルート
が初めて見えたことを意味する。
7. 研究者視点での総括
本研究の本質的価値
- 「Sc量を増やす」以外の
第三の設計自由度（post-growth thermodynamics） を提示 - 圧電応答の律速因子が
- 欠陥
- 応力
- 格子凍結
であることを実証
今後の展開
- ScAlN/AlN superlattice
- N-polar / Ga-polar 対比
- free-standing MEMS 構造
- HEMT・BAW・量子音響デバイスへの波及
参考として重要なキーワード
- wurtzite metastability
- energy landscape flattening
- biaxial stress relaxation
- d₃₃ vs d₃₃,f
- substrate clamping
- c/a ratio engineering