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▶ ジ オーストラリアン ナショナル ユニバーシティの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6269965
(24)【登録日】2018年1月12日
(45)【発行日】2018年1月31日
(54)【発明の名称】巨大誘電率材料
(51)【国際特許分類】
C04B 35/462 20060101AFI20180122BHJP
C01G 23/00 20060101ALI20180122BHJP
H01G 4/12 20060101ALI20180122BHJP
H01G 4/30 20060101ALI20180122BHJP
【ＦＩ】
C04B35/462
C01G23/00 C
H01G4/12 415
H01G4/12 358
H01G4/30 301E
【請求項の数】24
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2014-530054(P2014-530054)
(86)(22)【出願日】2012年9月14日
(65)【公表番号】特表2014-531389(P2014-531389A)
(43)【公表日】2014年11月27日
(86)【国際出願番号】AU2012001109
(87)【国際公開番号】WO2013037010
(87)【国際公開日】20130321
【審査請求日】2015年4月17日
(31)【優先権主張番号】2011903822
(32)【優先日】2011年9月16日
(33)【優先権主張国】AU
(73)【特許権者】
【識別番号】507357704
【氏名又は名称】ジ オーストラリアン ナショナル ユニバーシティ
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
(74)【代理人】
【識別番号】100089037
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邊 隆
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(72)【発明者】
【氏名】ワンビアオ・フー
(72)【発明者】
【氏名】メラニー・キッチン
(72)【発明者】
【氏名】ユン・リウ
(72)【発明者】
【氏名】アマンダ・スネイシャル
(72)【発明者】
【氏名】レイモンド・エル・ウィザース
(72)【発明者】
【氏名】ラッセ・ノレン
【審査官】
浅野 昭
(56)【参考文献】
【文献】
特開昭５５−０９５２０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
STEBBINS, Jonathan F.，Aluminum Substitution in Rutile Titanium Dioxide: New Constraints from High-Resolution 27Al NMR，Chem.Mater.，米国，American Chemical Society，２００７年，vol.19，p.1862-1869
【文献】
HANAOR, Dorian A.H., SORRELL, Charles C.，Review of the anatase to rutile phase transformation，Journal of Materials Science，２０１１年，Vol.46, No.4，PP.855-874，ISSN:0022-2461, DOI:10.1007/10853-010-5113-0
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｃ０１Ｇ １／００−２３／０８
Ｃ０４Ｂ ３５／００−３５／２２
Ｃ０４Ｂ ３５／４２−３５／５１
Ｈ０１Ｇ ４／１２
Ｈ０１Ｇ ４／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２を有する材料であって、０＜ｘ＜０．２であり、ｘは前記材料がルチル構造を有するような値であり、０＜ｎ＜０．８であり、δは０と０．０２５との間（０と０．０２５も含む）であり、Ａ３＋は三価の正イオンであり、Ｂ５＋は五価の正イオンである、材料。
【請求項2】
ｎは０．５である、請求項１に記載の材料。
【請求項3】
１０，０００より大きい比誘電率を有する、請求項１又は２に記載の材料。
【請求項4】
２０ｏＣで０．３未満の誘電損失を有する、請求項１から３の何れか１項に記載の材料。
【請求項5】
前記０．３未満の誘電損失は、２０ｏＣから２００ｏＣの温度範囲にわたって適合する、請求項４に記載の材料。
【請求項6】
前記０．３未満の誘電損失は、１００Ｈｚから１ＭＨｚの周波数範囲にわたって維持される、請求項４又は５に記載の材料。
【請求項7】
２０ｏＣから２５０ｏＣの範囲にわたって１９００ｐｐｍ／ｏＣ未満又はそれと等しいその誘電率の温度係数を有する、請求項１から６の何れか１項に記載の材料。
【請求項8】
−１００ｏＣから＋２００ｏＣの範囲にわたってその誘電率の正の温度係数を有する、請求項１から７の何れか１項に記載の材料。
【請求項9】
−１７０ｏＣから−２０ｏＣの範囲にわたって６５０ｐｐｍ／ｏＣ未満の誘電率の温度係数を有する、請求項８に記載の材料。
【請求項10】
１００Ｈｚから１ＭＨｚの周波数範囲にわたって２０ｏＣで、少なくとも１０，０００の誘電率及び０．３未満の誘電損失を有する、請求項１又は２に記載の材料。
【請求項11】
Ａは、Ｂｉ３＋、Ｉｎ３＋、Ｇａ３＋、Ａｌ３＋、Ｃｒ３＋、Ｃｏ３＋及びＦｅ３＋、レアアース元素の三価の正イオン並びにこれらの何れか２以上の混合物からなる群から選択される、請求項１から１０の何れか１項に記載の材料。
【請求項12】
Ｂは、Ｎｂ５＋、Ｔａ５＋、Ｗ５＋、Ｖ５＋、Ｍｏ５＋、Ｓｂ５＋及びこれらの何れか２以上の混合物からなる群から選択される、請求項１から１１の何れか１項に記載の材料。
【請求項13】
（Ｉｎ０．５−δＮｂ０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２である、請求項１から１２の何れか１項に記載の材料。
【請求項14】
ペレットの形態である、請求項１から１３の何れか１項に記載の材料。
【請求項15】
各ペレットが単一相ペレットである、請求項１４に記載の材料。
【請求項16】
式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２の材料を作るためのプロセスであって、０＜ｘ＜０．２であり、ｘは前記材料がルチル構造を有するような値であり、０＜ｎ＜０．８であり、δは０と０．０２５との間（０と０．０２５も含む）であり、Ａ３＋は三価の正イオンであり、Ｂ５＋は五価の正イオンであり、
・Ａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２を混合して、混合物を形成する段階と、
・前記混合物を圧縮してペレットを形成する段階と、
・閉鎖加熱炉において前記ペレットを１３００と１５００ｏＣとの間の温度でアニーリングして、式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２の材料を形成する段階と、
を含むプロセス。
・Ａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２を混合して、混合物を形成する段階と、
・前記混合物を圧縮してペレットを形成する段階と、
・閉鎖加熱炉において前記ペレットを１３００と１５００ｏＣとの間の温度でアニーリングして、式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２の材料を形成する段階と、
を含むプロセス。
【請求項17】
ｎは０．５である、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項18】
Ａ２Ｏ３とＢ２Ｏ５とのモル比が１：１であり、Ａ２Ｏ３プラスＢ２Ｏ５とＴｉＯ２とのモル比が（０．５ｘ）：（１−ｘ）である、請求項１６又は１７に記載のプロセス。
【請求項19】
固体状態で実行される、請求項１６から１８の何れか１項に記載のプロセス。
【請求項20】
ＡはＩｎであり、ＢはＮｂであり、前記アニーリングのステップは１４５０ｏＣで１０時間にわたって実行され、それによって前記プロセスは（Ｉｎ３＋０．５−δＮｂ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２を作る、請求項１６から１９の何れか１項に記載のプロセス。
【請求項21】
誘電材料として、請求項１から１３の何れか１項に記載の材料を含むキャパシタ。
【請求項22】
誘電材料としての、請求項１から１５の何れか１項に記載の材料の使用。
【請求項23】
請求項１から１３の何れか１項に記載の材料を２つの導電性端子の間に配置する段階を含む、キャパシタの製造プロセス。
【請求項24】
請求項１から１３の何れか１項に記載の材料を含み、前記材料は２つの導電性端子の間に配置される、キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、誘電材料及びそれらの製造プロセスに関する。
【0002】
本願は、オーストラリア仮特許出願番号ＡＵ２０１１９０３８２２の優先権を主張し、その内容は相互参照することにより、本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0003】
高電気エネルギー蓄積デバイスを開発する必要性、及びマイクロ及び／又はナノメータースケールへの電子デバイスの小型化に動かされ、良好な熱安定性及び低い誘電損失を有する高い又は巨大誘電率材料の開発への注目の集中が高まっている。
【0004】
今日までに、１０４を超える誘電率を有する材料系はほとんど存在しない。例は、ＢａＴｉ０．９（Ｎｉ，Ｗ）０．１Ｏ３、Ｂａ（Ｆｅ０．５Ｔａ０．５）Ｏ３、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３、Ｂａ（Ｔｉ，Ｓｎ）Ｏ３などのＢａＴｉＯ３様ペロブスカイトリラクサ強誘電材料；ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２（ＣＣＴＯ）、並びに、ＣｄＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２、Ｂｉ２／３Ｃｕ３Ｔｉ４Ｏ１２及びＬａ０．５Ｎａ０．５Ｃｕ３Ｔｉ４Ｏ１２、並びにＬｉ（及び／又はＫ）及びＴｉ（及び／又はＶ）で共ドープされたＮｉＯなどの類似化合物を含む。１番目のＢａＴｉＯ３様ペロブスカイト系において、巨大誘電率（略１０３−１０４）は、室温付近において変位拡散転移（ｄｉｓｐｌａｃｉｖｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を有するそれらのリラクサ強誘電特性から生じる。このタイプの材料の誘電率はしかしながら、比較的大きな誘電損失との顕著な温度及び周波数依存性がある。２番目のＣＣＴＯ−タイプの材料群の巨大誘電率は、略１０５に到達することができる。これらのＣＣＴＯ−タイプの材料は、高い誘電分極がリラクサ強誘電性及び内部バリア層キャパシタンス（ＩＢＬＣ）の両方の寄与から生じるため、比較的良好な温度安定性を有する。このタイプの材料の誘電特性はしかしながら、強くプロセスに依存することが多い。例えば、測定される誘電率は、数百から１０５の範囲で変動することができる。ドープされたＮｉＯ及びＬａ２−ｘＳｒｘＮｉＯ４（ｘ＝１／３又は１／８）系は、誘電率がＩＢＬＣ又はいわゆるコア−シェルモデル寄与から生じるものである。しかしながら、このことは再度、比較的広い温度範囲にわたる比較的高い誘電損失につながる。
【0005】
従って、巨大誘電率を示すが、現存の巨大誘電率材料と比較して良好な温度安定性及び顕著に小さい誘電損失を示す材料の必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の目的は、上記欠点の１つ以上を実質的に解消するか、又は少なくとも改善することである。さらに、上記必要性を少なくとも部分的に満たすことも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第１態様では、式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２を有する材料が提供される。その材料は、ルチル構造を有し得る。それは、単一相のルチル構造を有し得る。この式では、Ａ３＋は三価の正イオンであり、Ｂ５＋は五価の正イオンである。ｘは０と１との間であるべきである（０と１は含まない、つまり０＜ｘ＜１）。それは、その材料がルチル構造を有するような値であり得る。δは０と０．０２５との間（０と０．０２５も含む）であり得る。ｎは０と０．８との間（０と０．８は含まない）であるべきであり、略０．５であり得る。
【0008】
以下の態様は、個別に又は任意に適切に組み合わせて、第１態様と併せて使用され得る。
【0009】
ｘは（それがちょうど０ではないという条件において）略０と略０．２との間であり得る。それは、略０．０００５と０．００５との間であり得る。ｘは、その材料の誘電率が略１０，０００より大きいような値であるか、又はその材料の誘電率が略１０，０００と１００，０００との間若しくは略１０，０００と１，０００，０００との間であるような値であり得る。ｘは例えば、０．０００５であり得る。それは０．００５であり得る。それは、その材料が単一相のルチル構造を有するような値であり得る。
【0010】
その材料は、略１０，０００より大きい、又は略１０，０００と１００，０００との間若しくは略１０，０００と１，０００，０００との間の誘電率を有し得る。
【0011】
その材料は、略２０ｏＣにおいて略０．３未満の誘電損失を有し得る。略０．３未満の誘電損失は、略２０ｏＣから略２００ｏＣまでの温度範囲にわたって適合し得る。それは、略１００Ｈｚから略１ＭＨｚ、又は略１ｋＨｚから略１ＭＨｚ、又は１ｋＨｚから１００ＭＨｚの周波数範囲にわたって、０．３未満で維持され得る。
【0012】
その材料は、略１９００ｐｐｍ／ｏＣ未満又はそれに等しいその誘電率の温度係数を有し得る。その温度係数は、略２０ｏＣから略２５０ｏＣの範囲にわたって、略１９００ｐｐｍ／ｏＣ未満又はそれに等しい値であり得る。その材料は、略−１００ｏＣから略＋２００ｏＣ、又は略−１９０ｏＣから略＋２００ｏＣの範囲にわたり、その誘電率の正の温度係数を有し得る（つまりその係数は、この範囲を通して正であり得る）。それは、略−１７０ｏＣから略−２０ｏＣの範囲にわたって、略６５０ｐｐｍ／ｏＣ未満のその誘電率の温度係数を有し得る。
【0013】
その材料の色は、グレーであり得るか、又はダークイエローであり得る。
【0014】
特定の例では、その材料は、略１００Ｈｚから略１ＭＨｚの周波数範囲にわたって略２０ｏＣで、少なくとも略１０，０００の誘電率及び０．３未満の誘電損失を有する。
【0015】
式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２において、Ａ３＋はＢｉ３＋、Ｉｎ３＋、Ｇａ３＋、Ｓｃ３＋、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｆｅ３＋、若しくはレアアース元素の三価の正イオンであり得るか、又はこれらの何れか２以上の混合物であり得る。Ａ３＋のさらなる代替例はＡｌ３＋である。Ｂ５＋はＮｂ５＋、Ｔａ５＋、Ｗ５＋、Ｖ５＋、Ｍｏ５＋、及びＳｂ５＋であり得るか、又はこれらの何れか２以上の混合物であり得る。
【0016】
その材料の平均構造は、ルチル構造であり得る。それは結晶であり得る。その材料は、ＴｉＯ２ルチルにおけるＴｉ４＋サイトへのアクセプタ−ドナー共置換（ｃｏ−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）を示し得る。
【0017】
一実施形態において、その材料は（Ａ３＋０．５−δＢ３＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２であり、ここでｘは０．２未満かつ０より大きく、δは略０．００５未満であり、前記材料はルチル構造を有する。
【0018】
特定の例では、その材料は（Ｉｎ０．５−δＮｂ０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２（つまり、（Ｉｎ３＋０．５−δＮｂ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２）であり、ここで０＜ｘ＜０．１５、例えば０．０００５から略０．００５であり、δは略０．００５未満である。他の例では、Ａ３＋はＡｌ３＋であり、Ｂ５＋はＮｂ５＋であり、それによってその材料は、式：（Ａｌ３＋０．５−δＮｂ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２又は（Ａｌ３＋０．０８３−δＮｂ５＋０．７５）ｘＴｉ１−ｘＯ２を有する。
【0019】
その材料は、ペレット形状であり得る。この場合、各ペレットは単一相のペレットであり得る。
【0020】
本発明の第２の態様では、以下の段階を含む式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２の材料の製造プロセスが提供される：・Ａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２を混合して混合物を形成する段階；
・その混合物を圧縮してペレットを形成する段階；及び
・そのペレットをアニーリングして、式：（Ａ３＋０．５−δＢ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２の材料を形成する段階。
【0021】
式：（Ａ３＋０．５−δＢ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２において、０＜ｘ＜１であり、ｘはその材料がルチル構造を有するような値であり、δは０と０．０２５との間（０と０．０２５も含む）であり、ｎは０と０．８との間（０と０．８も含む）であり、Ａ３＋は三価の正イオンであり、Ｂ５＋は五価の正イオンである。
【0022】
以下の態様は、個別に又は任意に適切に組み合わせて、第２態様と併せて使用され得る。
【0023】
ｘは（それがちょうど０ではないという条件において）略０と略０．１との間であり得る。それは、略０．０００５と０．００５との間であり得る。ｘは、その材料の誘電率が略１０，０００より大きいような値であるか、又はその材料の誘電率が略１０，０００と１００，０００との間若しくは略１０，０００と１，０００，０００との間であるような値であり得る。
【0024】
そのプロセスは、固体状態で実行され得る。
【0025】
アニーリングのステップは、閉鎖加熱炉で実行され得る。それは、略１３００から略１５００ｏＣの間の温度で実行され得る。それは十分な時間実行され得、アニールされた式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２のペレットを製造する。それは例えば、少なくとも略２時間若しくは少なくとも略５時間、又は略２から略２０時間若しくは略５から２０時間にわたって実行され得る。
【0026】
Ａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２のモル比は、そのプロセスが式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２の材料を製造するような比率であり得る。Ａ２Ｏ３とＢ２Ｏ５とのモル比は、略１：１、又はより一般的には（４−５ｎ）：３ｎであり得る。Ａ２Ｏ３プラスＢ２Ｏ５とＴｉＯ２とのモル比は、略（ｘ／２）：（１−ｘ）又は（（２−３ｎ）ｘ／３）：（１−ｘ）であり得る。
【0027】
特定の例では、ＡはＩｎであり、ＢはＮｂであり、ｎは０．５であり、アニーリングのステップは略１４５０ｏＣで略１０時間にわたり実行され、それによってそのプロセスは、（Ｉｎ３＋０．５−δＮｂ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２（ここで０＜ｘ＜０．１）を作る。
【0028】
本発明はまた、第２態様によって作られた材料を包含する。第２態様によって作られたその材料は、第１態様と一致し得る（ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ）。
【0029】
本発明の第３態様では、誘電材料として使用される場合の、第１態様による又は第２態様のプロセスによって作られる材料を含むキャパシタが提供される。
【0030】
本発明の第４態様では、誘電材料としての、第１態様による材料又は第２態様のプロセスによって作られる材料の使用が提供される。
【0031】
本発明の第５態様では、キャパシタを製造するための、第１態様による材料又は第２態様のプロセスによって作られる材料の使用が提供される。
【0032】
本発明の第６態様では、第１態様による材料又は第２態様のプロセスによって作られる材料を２つの導電性端子の間に配置する段階を含む、キャパシタの製造プロセスが提供される。
【0033】
本発明の好ましい実施形態が、例示のみを目的として、添付図面を参照してここで説明される。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】室温でのドープＴｉＯ２ルチルのＸ線回折パターンを示す図面である。
【図2】室温でのＩｎ＋ＮｂでドープされたＴｉＯ２の誘電周波数スペクトルを示す図面である。
【図3】ドーパント濃度に対する、Ｉｎ＋ＮｂでドープされたＴｉＯ２の誘電率及び損失正弦を示す図面である。
【図4】室温範囲未満での、Ｉｎ＋ＮｂでドープされたＴｉＯ２に対する誘電率と温度との関係を示す典型的な曲線を示す図面である。
【図5a】本発明による、様々な材料に対する室温を超える温度での（ａ）誘電率の曲線を示す図面である。
【図5b】本発明による、様々な材料に対する室温を超える温度での（ｂ）損失の曲線を示す図面である。
【図6】改善された（Ｉｎ＋Ｎｂ）ドープＴｉＯ２の周波数依存誘電特性を示す図面である。
【図7】１０％（Ｉｎ＋Ｎｂ）ドープＴｉＯ２の温度依存誘電特性を示す図面である。
【図8】１５００ｏＣで５時間にわたりアニールされた（Ａｌ０．５Ｎｂ０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２（ｘ＝０．５％）の、周波数依存誘電体誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）及び損失を示す図面である。
【図9】１５００ｏＣで４時間にわたりアニールされた（Ａｌ０．０８３Ｎｂ０．７５）ｘＴｉ１−ｘＯ２（ｘ＝０．５％）の、周波数依存誘電体誘電率及び損失を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
本発明は、化学式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２、通常およそ（Ａ３＋０．５−δＢ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２である材料に関する。本発明の材料はルチル構造、通常は単一相ルチル構造を有する。この式において、Ｔｉは少なくとも部分的に＋４酸化状態であり（通常はほぼ完全に＋４酸化状態である）、かつ部分的に＋３酸化状態でもあり得る。その材料は、“ドープされた”二酸化チタンとみなされることができ、ここでドーパントは、（必ずではないが）通常は大体等モル量であるＡ２Ｏ３及びＢ２Ｏ５である。この式における変数の定義は以下に述べる。
【0036】
Ａ：これは、＋３イオンを形成することができる元素である。適切な例は、Ｓｃ、Ｙ、ランタニド（レアアースとしてもまた知られている−Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）、Ａｌ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｃｏ及びＦｅを含む。任意の所望の比率での何れか２以上の混合物もまた使用され得る。例えばその材料は、例えば式：（Ａａ３＋ｙ−δＡｂ３＋０．５−ｙ−εＢ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２を有することができ、ここで０≦ｙ≦（０．５−ε）（つまり、ｙは０と０．５−εとの間（０と０．５−εも含む）である）であり、ｘはその材料がルチル構造を有するような値（多くの場合、０＜ｘ＜０．１５、又は０＜ｘ＜０．１、通常は０．０００５＜ｘ＜０．００５）であり、Ａａ及びＡｂは上記のリストからの異なる例のＡである。この場合、δ＋εは略０と０．０２５との間（０と０．０２５も含む）であり、δ及びεの両方が整数又は０である。材料１モルあたりのＢ５＋が（具体的に０．５モルではなく）ｎモルであるより一般的な場合、上記の式がそれに応じて調整されることが理解されよう。この場合、ｙは０と（４−５ｎ）／３との間であるべきである。Ａ３＋は電子アクセプタであり得る。ＡはＴｉよりも強い電子アクセプタであり得る。
【0037】
Ｂ：これは、＋５イオンを形成することができる元素である。適切な例は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｖ、Ｍｏ、及びＳｂを含む。これらの何れか２以上の混合物もまた使用され得る。例えば、その材料は式：（Ａａ３＋ｙ−δＡｂ３＋０．５−ｙ−εＢｃ５＋０．５−ｚＢｄ５＋ｚ）ｘＴｉ１−ｘＯ２を有することができ、ここで０≦ｙ≦０．５、０≦ｚ≦０．５（つまり、ｙ及びｚの両方が０と０．５との間（０と０．５も含む）である）であり、ｘはその材料がルチル構造を有するような値（多くの場合、０＜ｘ＜０．１５、又は０＜ｘ＜０．１、又は０．０００５＜ｘ＜０．００５）であり、Ａａ及びＡｂは上記Ａの選択肢のリストからの異なる例のＡであり、Ｂｃ及びＢｄは上記Ｂの選択肢のリストからの異なる例のＢである。この場合は再度、δ＋εは略０と０．０２５との間（０と０．０２５も含む）である。再度、上述の通り、上記式はｎが０．５ではない場合に対して一般化され得る。Ｂ５＋は電子ドナーであり得る。ＢはＴｉよりも強い電子ドナーであり得る。
【0038】
上記式では、ｙもｚも何れもそれらを表す係数が０未満ではないという条件で、存在するならば、ｙ及びｚは独立して、０と０．５との間、又は略０から０．３、０から０．１、０．１から０．５、０．２から０．５、０．１から０．４、若しくは０．２から０．３の何れか、例えば略０、０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．３５、０．４、０．４５若しくは０．５であり得る。
【0039】
好ましくはＡ及びＢは、その材料が安定であるようなものである。それらは、その材料の形成の間又はその材料自身においてＡ３＋がＢ５＋を還元しないようなものであり得る。
【0040】
ｘ：これは、その材料がルチル構造を有するような値であるべきである。また、その材料が純粋な酸化チタンではないがチタンを含むように、０＜ｘ＜１であるべきである。従ってｘは、その材料がＡ及びＢでドープされたルチル構造の二酸化チタンとして見られ得るような値であり得る。それは略０．２と等しい若しくはそれ未満であるか、略０．１５と等しい若しくはそれ未満であるか、又は略０．１と等しい若しくはそれ未満である。それは、０より大きいという条件で（Ａ３＋及びＢ５＋がともにその材料に存在するように）、０．０５、０．０２、０．０１、０．００５、０．００２、０．００１、０．０００５若しくは０．０００２未満若しくはそれに等しい値であり得る。ｘは略０．０００１から略０．１、略０．０００１から０．００１、０．０００１から０．０００５、０．０００５から０．００５、０．０００５から０．０５、０．００５から０．０５、又は０．００１から０．０１、例えば略０．０００１、０．０００２、０．０００３、０．０００４、０．０００５、０．０００６、０．０００７、０．０００８、０．０００９、０．００１、０．００２、０．００３、０．００４、０．００５、０．００６、０．００７、０．００８、０．００９、０．０１、０．０１５、０．０２、０．０２５、０．０３、０．０３５、０．０４、０．０４５、０．０５、０．０５５、０．０６、０．０６５、０．０７、０．０７５、０．０８、０．０８５、０．０９、０．０９５若しくは０．１であり得る。ｘ値の限界は、Ａ及びＢの性質によって決まる。特定のｘ値に対してそれは、例えばｘ線回折によって、結果として生じるセラミックスが必要とされる単一相ルチル構造を有するかどうか、故にｘ値がＡ及びＢの特定の選択に対して適切であるかによって、容易に決定され得る。ｘ値はまた、ｎ値（以下参照）、つまりその材料におけるＡ及びＢの比率によって決まり得る。
【0041】
δ：これは０．０２５未満であり、場合によって事実上０であり得る。本発明者は、通常チタンは＋４酸化状態である一方、非常に少量（典型的に略１％未満）が＋３酸化状態に還元され得ることを見出した。これを相殺するために、少量のＡ３＋イオンが失われ得るか、又は酸素空孔が作られる必要があり得る。因子δはこの損失を反映する。従ってδは通常、Ａ３＋の量の略５％未満、つまり略０．０２５未満（０．５の５％）である。それは、略０．０２、０．０１５、０．０１、０．００５、０．００４、０．００３、０．００２、０．００１又は０．０００５未満であり得る。典型的なδ値は例えば、０．０００１、０．０００２、０．０００３、０．０００４、０．０００５、０．０００６、０．０００７、０．０００８、０．０００９、０．００１、０．００２、０．００３、０．００４、０．００５、０．１、０．０１５、０．０２又は０．０２５である。δは事実上ゼロであり得、その場合は事実上全てのＴｉが＋４酸化状態である。
【0042】
ｎ：これは通常略０．５であるが、ｎが０．５でない場合、その材料は等しくないＡ３＋及びＢ５＋のモル量を有する。ｎは略０と略０．８との間（しかし、決して０若しくはそれ未満、又は０．８若しくはそれ以上ではない）、略０と略０．５、０．５と０．８、０．４と０．６、０．５５と０．６５、０．４と０．５、若しくは０．５と０．６との間、例えば略０、０．０５、０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．３５、０．４、０．４５、０．５、０．５５、０．６、０．６５、０．７、０．７５若しくは０．８であり得る。ｎの範囲はまた、異なるイオンに対する係数が０より大きいことを確保するように調整されなければならない。
【0043】
上記式、例えば式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２において、下付き記号がその材料に存在する原子又はイオンの数の比率を表し、分数の（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ）原子又はイオンが実際に存在することを示唆しないことが認識されよう。その式が均一ではないことがある物質の実験式を表すこともまた認識されよう。例えば、異なる比率の原子／イオンを有する局在化された領域であり得る。特に、粒子における特定の原子／イオンの濃度は粒子境界と比較して異なることがある。本発明者は、Ａ３＋イオンが場合によっては粒子境界における及び／又は粒子境界付近の平均濃度より高いことがあることを見出した。
【0044】
その材料は、略１０，０００より大きい、又は略１１，０００、１２，０００、１３，０００、１４，０００、１５，０００、１６，０００、１７，０００、１８，０００、１９，０００若しくは２０，０００より大きい誘電率、あるいは略１０，０００から略３０，０００、略１０，０００から２０，０００、１０，０００から１５，０００、１０，０００から１２，０００、１０，０００から１１，０００、１１，０００から３０，０００、１５，０００から３０，０００、２０，０００から３０，０００、１１，０００から１５０００、１１，０００から１３０００、若しくは１５，０００から２０，０００、例えば略１０，０００、１０，５００、１１，０００、１１，５００、１２，０００、１２，５００、１３，０００、１３，５００、１４，０００、１４，５００、１５，０００、１６，０００、１７，０００、１８，０００、１９，０００、２０，０００、２１，０００、２２，０００、２３，０００、２４，０００、２５，０００、２６，０００、２７，０００、２８，０００、２９，０００若しくは３０，０００の誘電率を有し得る。場合によっては、誘電率は３０，０００を超えることがあり、例えば略３５，０００、４０，０００、４５，０００、５０，０００、６０，０００、７０，０００、８０，０００、９０，０００又は１００，０００である。これらの材料の特定の例は、１００，０００を超える誘電率を有し、２００，０００、３００，０００、４００，０００、５００，０００、６００，０００、７００，０００、８００，０００、９００，０００又は１，０００，０００を超える誘電率を有し得る。従って誘電率は、略１０，０００と略１，０００，０００との間、１００，０００と１，０００，０００、１００，０００と５００，０００、又は５００，０００と１，０００，０００との間、例えば略２００，０００、３００，０００、４００，０００、５００，０００、６００，０００、７００，０００、８００，０００、９００，０００又は１，０００，０００であり得る。
【0045】
その材料は、略２０ｏＣで略０．３未満、又は略０．２５、０．２、０．１５若しくは０．１未満、例えば略０．０５から０．３、０．１から０．３、０．２から０．３、０．１から０．２５、若しくは０．１５から０．２５の誘電損失を有し得る。それは、略２０ｏＣで略０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．２５、０．２７、０．２８、０．２９又は０．３の誘電損失を有し得る。誘電損失は、略２０ｏＣ又は略２７ｏＣで略０．０５未満、又は略０．０４５、０．０４、０．０３５、０．３、０．０２５若しくは０．０２未満であり得、あるいはこれらの温度で略０．１、０．２若しくは０．３である。上記の誘電損失（又はその範囲）は、略２０ｏＣから略２００ｏＣ、略２０から１５０、２０から１００、２０から５０、５０から２００、１００から２００、１５０から２００、又は５０から１５０ｏＣの温度範囲にわたって適合し得る。それは例えば、何れか１以上の以下の温度で適合し得る：２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０又は２００ｏＣ。それはまた、上記範囲の外側の他の温度、例えば略０、５、１０、１５、２１０、２２０、２３０、２４０又は２５０ｏＣで適合し得る。それは略−１９０から略２５０ｏＣ、略−１００から２５０、０から２５０、１００から２５０、−１９０から１００、−１９０から０、−１９０から−１００、−１００から２００、−１００から０、又は−５０から１５０ｏＣ、例えば略−１９０、−１５０、−１００、−５０、０、２０、５０、１００、１５０、２００又は２５０ｏＣで適合し得る。適切な材料は、略−１９０から略２００ｏＣ又は略−１９０から略２５０ｏＣの温度範囲にわたって、略０．１未満、通常は略０．０５未満の誘電損失を有する。上記の誘電損失は、略１００Ｈｚから略１ＭＨｚ、略１ｋＨｚから略１ＭＨｚ、略１から５００ｋＨｚ、１から２００、１から１００、１から５０、１から２０、１から１０、１０から２００、１０から１００、１０から５０、５０から１０００、１００から１０００、２００から１０００、５００から１０００、１００から５００、１００から３００、又は２００から５００ｋＨｚの周波数範囲にわたって、例えば略１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０、１００、１５０、２００、１５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、６００、７００、８００、９００又は１０００ｋＨｚにおいて維持され得る。それはまた、これらの範囲を超えて維持され得る。場合によっては、誘電損失は上記の通り、略１００ＭＨｚまで維持される。それは従って、略１ｋＨｚから略１００ＭＨｚ、例えば略１から略１００ＭＨｚ、又は略１から５０、１から１０、１０から１００、５０から１００、若しくは１０から５０ＭＨｚの範囲、例えば略１、２、３、４、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０、９０若しくは１００ＭＨｚで維持され得る。適切な材料は従って、略１００Ｈｚから略１ＭＨｚ、又は１ｋＨｚから略１００ＭＨｚの範囲にわたって、略０．１未満、通常は略０．０５未満の誘電損失を維持し得る。上記から、それぞれが上記範囲にある誘電損失、温度範囲及び周波数範囲の任意の組み合わせが適合し得ることが理解されよう。略０．３未満の誘電損失が特定の温度及び／又は周波数範囲にわたって適合することが規定される場合、これは必ずしも特定の損失値が全範囲にわたって適合することを意味せず、むしろその範囲内には変動があり得るが全範囲にわたって損失が０．３未満であることを意味する。
【0046】
本発明の材料は、温度範囲にわたって比較的一定である誘電率を有する。従って、選択された温度範囲にわたって、それは、略２０００ｐｐｍ／ｏＣ未満若しくはそれに等しい、又は略１９００、１５００、１２００、１０００、５００、２００若しくは１００ｐｐｍ／ｏＣ未満若しくはそれに等しいその誘電率の温度係数を有し得る。この係数（又はその範囲）は、略２０ｏＣから略２５０ｏＣ、又は略２０から２００、２０から１５０、２０から１００、５０から２５０、１００から２５０、１５０から２５０、１００から２００、１００から１５０、若しくは１５０から２００ｏＣの範囲にわたって維持され得る。特にそれは、何れか１以上の以下の温度で適合し得る：２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０又は２００ｏＣ。それはまた、その範囲の外側の温度、例えば略０、５、１０、１５、２６０、２７０、２８０、２９０又は３００ｏＣで適合し得る。それは、略−１９０から略２５０ｏＣ、又は略−１００から２５０、０から２５０、１００から２５０、−１９０から１００、−１９０から０、−１９０から−１００、−１００から２００、−１００から０、若しくは−５０から１５０ｏＣ、例えば略−１９０、−１５０、−１００、−５０、０、２０、５０、１００、１５０、又は２００ｏＣで適合し得る。その温度範囲は、周波数依存性であり得る。従って、低周波数（例えば略１００Ｈｚ又はそれ未満）では、温度の上限値は低くなる、例えば略２００ｏＣとなることがあり、一方で高周波数（つまり略１００Ｈｚより大きい）では、温度の高い上限値、例えば略２５０ｏＣを達成し得る。高周波数は、その材料を無線周波数通信技術において使用できるようにする際に有益であり得る。適切な材料は、−１９０から略２００ｏＣの温度範囲にわたって、略０．１未満、通常略０．０５未満の誘電損失を有する。その材料は、略−１００ｏＣから略＋２００ｏＣ、又は略−１００から＋１００、−１００から０、０から＋２００、＋１００から＋２００、若しくは０から＋１００ｏＣの範囲にわたって、その誘電率の正の（又は負でない）温度係数を有することができ、例えばそれは、略何れか１以上の以下の温度で、その誘電率の正の（又は負でない）温度係数を有することができる：−１００、−５０、０、＋５０、＋１００、＋１５０又は＋２００ｏＣ。それは、上記範囲の外側の温度で、正の（又は負でない）温度係数を有することができる。それは、略６５０ｐｐｍ／ｏＣ未満、又は略６００、５５０、５００、５４０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０若しくは１００ｐｐｍ／ｏＣ未満のその誘電率の温度係数を有することができる（例えばその係数は、略６００、５５０、５００、５４０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０又は１００ｐｐｍ／ｏＣであり得る）。これは、略−１７０ｏＣから略−２０ｏＣ、又は略−１５０から−２０、−１００から−２０、−５０から−２０、−１７０から−５０、−１７０から−１００、−１００から−５０、若しくは−１５０から−１００ｏＣの範囲にわたって、例えば略−１７０、−１６０、−１５０、−１４０、−１３０、−１２０、−１１０、−１００、−９０、−８０、−７０、−６０、−５０、−４０、−３０又は−２０ｏＣで適合し得る。それはまた、これらの範囲の外側、例えば略０、−５、−１０、−１５、−１７５、−１８０、−１８５、−１９０、−１９５又は−２００ｏＣで適合し得る。
【0047】
その材料の平均構造は、ルチル構造であり得る。その材料は、ＴｉＯ２ルチルにおけるＴｉ４＋サイトへのアクセプタ−ドナー共置換を表すことができる。その平均構造は、空間群Ｐ４２／ｍｎｍを有することができる。その材料は、ペレットの形状であり得る。用語“ペレット”は、顆粒（ｇｒａｎｕｌｅｓ）、粒（ｇｒａｉｎｓ）又は粒子（ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）などのあらゆる種類のペレット様構造を含むとされ得る。この場合、各ペレット、顆粒、粒、又は粒子は、単一相のペレット、顆粒、粒、又は粒子であり得る。これらは球形であり得るか、又は幾つかの他の適切な形状、例えば卵形、楕円体、立方体、菱形（ｒｈｏｍｂｏｉｄａｌ）、角柱、平行六面体（例えば直方形の平行六面体）、偏球形、針状、繊維状、トロイダル、（略６と略５０面との間の）多面体、プレートレット形状、菱形であり得、あるいは一様でない形状であり得る。異なるペレットは同一の形状を有することができ、又は異なる形状を有することができる。ペレットは略５から略１５ｍｍ、又は略５から１０、１０から１５、若しくは８から１２ｍｍ、例えば略５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４又は１５ｍｍの直径を有することができる。それらは、略０．１から２ｍｍ、又は略０．１から１、０．１から０．５、０．５から１、若しくは１から２ｍｍ、例えば略０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．５又は２ｍｍの厚さを有することができる。それらは例えば、略１０から略１２ｍｍの直径及び略１ｍｍの直径を有することができる。
【0048】
通常ドーピング濃度は、略０．０５−１０ｍｏｌ％、通常略０．０５−５ｍｏｌ％であるが、それは、高ドーピング濃度はより高い損失をもたらすことが多いからである。しかしながら前述の通り、この制限はＡ及びＢの比率及び性質によって決まり得る。誘電率、損失、及び温度安定性の間の適切なバランスが、実用的な用途に対して必要とされる。このドーピングレベルでは、その材料が誘電損失を低く保つのに重要と考えられるルチル構造を維持することが観察された。
【0049】
四価のドーピングイオンは本発明において効果的であると見出されていないが、それは、それらが単に分極率を変化させるだけであり、略１０４の所望の最小値まで誘電率を増加させる十分な駆動力を提供することができないからである。三価のイオンドーピングは、純粋なＴｉＯ２と同様の誘電率を維持することができる。五価のイオンドーピングは、材料特性を絶縁性から半導体性に顕著に変化させることができ、結果として非常に高い損失をもたらすことがある。本発明者は、基本的なメカニズムが以下の（１）及び（２）に関連するとの仮説を立てている：（１）ドナー−アクセプタ対は全体の電荷バランスを実現することができる。しかしながら、五価のイオンはＴｉイオン原子価をＴｉ４＋からＴｉ３＋に局所的に誘導するポテンシャルを有する。Ｔｉ３＋は、双極子を形成しかつ観察される誘電率に寄与するように局在化された不対電子を有する；
（２）ドーピングイオンは粒子境界において半導体バリア層を作り出し、内部バリア層キャパシタ（ＩＢＬＣｓ）を形成し、故に高誘電率をもたらす。
【0050】
本発明の材料の製造プロセスは、固体状態プロセスであり得る。それは溶媒フリープロセスであり得る。それは溶媒の不在下で実行され得る。それは酸化物成分（以下参照）以外の物質を追加することなく実行され得る。本発明の材料を作るために、酸化物成分Ａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２（ここでＡ及びＢは上記の通りである）の混合物が圧縮されてペレットを形成する。従ってその混合物は、Ａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２を含むことができ、又は本質的にＡ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２から構成され得る。酸化物成分の混合は、最終的な混合物がＡ：Ｂ＝（（４−５ｎ）／３）：ｎ、通常１：１のモル比を有する適切な比率であるべきである。比率は、（Ａ＋Ｂ）：Ｔｉの比率が略ｘ：（１−ｘ）であるようにするべきである。従ってＡ２Ｏ３とＢ２Ｏ５のモル比は、略（（４−５ｎ）／３）：ｎ、通常略１：１であるべきである。ｎが略０．５である場合、Ａ２Ｏ３とＢ２Ｏ５のモル比は、略０．９：１と１．１：１、又は略０．９：１と１：１、１：１と１．１：１、０．９５：１と１．０５：１、０．９５：１と１：１、１：１と１．０５：１、０．９９：１と１．０１：１、０．９９：１と１：１、１：１と１．０１：１、０．９９９：１と１．００１：１、０．９９９：１と１：１、若しくは１．００１：１と１：１との間、例えば略０．９：１、０．９１：１、０．９２：１、０．９３：１、０．９４：１、０．９５：１、０．９６：１、０．９７：１、０．９８：１、０．９９：１、０．９９５：１、０．９９９：１、１：１、１．０９：１、１．０８：１、１．０７：１、１．０６：１、１．０５：１、１．０４：１、１．０３：１、１．０２：１、１．０１：１、１．００５：１又は１．００１：１であり得る。ｎが他の値であるとき、モル比はもちろん対応して異なる。実際の重量比は、Ａ及びＢの原子量によって決まる。ＴｉＯ２に結合されたＡ２Ｏ３及びＢ２Ｏ５のモル比は、（ｘ／２）：（１−ｘ）であるべきである。（全てではないが）多くの例では、ｘは略０．２未満である。結果として、ＴｉＯ２に結合されたＡ２Ｏ３及びＢ２Ｏ５のモル比は一般的に１：ｔとなり、ここでｔは略８より大きい。ｔは例えば、略８、９、１０、１２、１４、１６、１８、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、１００、２００、３００、４００、５００若しくは１０００より大きいことがあり、又は略８から略１０００、若しくは略８から１０００、８から５００、８から２００、８から１００、８から５０、８から２０、１０から１０００、１５から１０００、２０から１０００、５０から１０００、１００から１０００、２００から１０００、５００から１０００、２０から１００、５０から１００、２０から５０、若しくは５０から２００、例えば略８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、３０、３５、４０、４５、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、６００、７００、８００、９００又は１０００であり得る。再度、重量比は、Ａ及びＢの原子量によって決まる。酸化物成分（Ａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２）は混合物を形成する際に類似の粒径を有することができる。それらは、互いに略３０％を超えて変動しない粒径を有することができる。平均粒径（つまり粒の直径）は、ミクロンオーダーであり得る。
【0051】
酸化物成分を混合して混合物を形成する段階は、結合段階と、後続の及び／又は同時の撹拌（ａｇｉｔａｔｉｏｎ）（旋回、撹拌（ｓｔｉｒｒｉｎｇ）、振動、回転など）段階とを含むことができる。撹拌は、実質的に均一である混合物を生成するのに十分であり得る。この文脈において、均一混合物は、元素Ａ、Ｂ及びＴｉのモル比がその混合物を通じて実質的に均一であるもの、つまり成分がその混合物を通じて均一に分散されているものである。最終混合物が上記の必要とされる組成を有するならば、その成分は任意の順番で、又は全て同時に混合され得る。圧縮ステップは、プレス（例えば油圧プレス）、モールド、ペレタイザー、又は幾つかの他の適切な圧縮デバイスを用いて実行され得る。圧縮は、その混合物をペレットに変形するのに十分な圧力であり得る。それは一軸圧縮であり得る。それは略３から略１５トン、又は略３から１０、３から５、５から１５、１０から１５、若しくは５から１０トン、例えば略３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４又は１５トンの圧力であり得る。それは略室温、又は略１５から略３０°、若しくは略１５から２０、２０から３０、若しくは２０から２５°、例えば略１５、２０、２５又は３０°で実行され得る。
【0052】
結果として生じるペレットは次いで、最終材料を製造するためにアニールされる。アニーリングのステップは、閉鎖加熱炉で実行され得る。適切な加熱炉は、略１５ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍのチャンバー寸法を有する。それは、略１３００から略１５５０ｏＣ、又は略１３００から１５００、１３００から１４００、１４００から１５００若しくは１３５０から１４５０ｏＣの間、例えば略１３００、１３１０、１３２０、１３３０、１３４０、１３５０、１３６０、１３７０、１３８０、１３９０、１４００、１４１０、１４２０、１４３０、１４４０、１４５０、１４６０、１４７０、１４８０、１４９０、１５００又は１５５０ｏＣの温度で実行され得る。それは、式：（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２のアニールされたペレットを製造するのに十分な時間実行され得る。これは、式中の因子δによって説明されるＡ３＋イオンの小損失を伴うことがある。それは例えば、少なくとも略５時間、少なくとも略６、７、８、９、１０若しくは１５時間、又は略５から略２０時間、若しくは略５から１０、１０から２０、若しくは１０から１５時間、例えば略５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９又は２０時間にわたって実行され得る。上記温度及び時間の任意の組み合わせが、特定の場合に適切であり得る。結果として生じるペレットは例えば、略９ｍｍの平均直径及び略０．６ｍｍの厚さを有することができる。
【0053】
本発明者は、本発明による多くの適切な材料が等量のＡ及びＢを有するがＡ：Ｂの比率はちょうど１：１である必要はないことを見出した。より重要な制限は、材料の全体構造からくる：それは単ルチル相を維持するべきである。従って全電荷がバランスされている限り、ｎは０．５である必要はない（つまり、Ａ：Ｂは１：１である必要はない）。Ｂが過剰である場合（ｎ＞０．５）、Ｔｉ４＋−Ｔｉ３＋、Ｂ５＋−Ｔｉ３＋又はＢ５＋−Ｔｉ３＋−Ａ３＋結合が化合物中に共存しているとみなされる。Ｂが少ない場合（ｎ＜０．５）、Ｔｉ４＋−Ａ３＋、Ｂ５＋−Ｔｉ３＋又はＢ５＋−Ｔｉ３＋−Ａ３＋結合が共存する。等モルの場合（ｎ＝０．５）、主にＢ５＋−Ａ３＋−Ｔｉ３＋結合が存在する。ＴｉＯ２は幾つかのカチオンが隙間を占有しているせん断面を介して３＋カチオンを収容するかなり大きな能力を有すると認識される。
【0054】
本発明者は、本明細書に記載される材料の大きな誘電率を説明するために、電子ピン止め欠陥双極子機構（ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｐｉｎｎｅｄ ｄｅｆｅｃｔ−ｄｉｐｏｌｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）の仮説を立てている。この機構では、ホッピング電子が指定された格子欠陥状態によって捕捉及び局在化され（“ピン止め効果”）、巨大な欠陥双極子を生成し、高性能かつ顕著に大きい誘電率を有する材料を結果としてもたらす。本発明者は従って、自由度の低いチタン酸素多面体（ＴｉＯ（１−ｘ））を囲んで電子がピン止めされるという方法でそれらが酸化チタンにおいて電子ピン止め欠陥双極子を作り出したと考えている。これらの電子は原子の電子と比較して、（幾つかの多面体領域内に）動くためのより多くの空間を有するため、結果として生じる双極子は巨大であり、これらの双極子の挙動は依然として、自由電子ホッピングというよりはむしろ“固有の”格子欠陥双極子のように振る舞う。これを達成するために、本発明者はドナー置換を導入し、近くのホスト原子の低減に由来する非局在化電子によってホストが占有されることを確保した。新たに生成される酸素空孔又は酸素欠陥環境（正電荷中心）は、別のアクセプタヘテロ原子をホスト格子内に組み込み、次いで元々非局在化している電子と結合して欠陥双極子を形成することによって生成される。最も重要なことに、指定された材料系全体は荷電平衡であり、ドーピング誘導挙動の局在化に対してあまり柔軟性がない。非常に大きい誘電率以外の、このような局在欠陥双極子の形成の最も重要な結果として、非常に低い誘電損失が得られる。これは、電子が１つの格子サイトから別の格子サイトへとホッピングするからというよりはむしろ、電子が局所的に生成された酸素欠陥環境と結合されて外部電場に応答できる巨大双極子を形成するからである、との仮説が立てられている。
【0055】
本発明の材料は、キャパシタにおける高誘電材料として使用され得る。前述のように非常に高い誘電率により、その材料は非常に高いキャパシタンスを有するキャパシタの製造における使用、あるいは非常に小さいキャパシタの製造における使用に適している。それはまた、安全で高効率の固体状態のエネルギー貯蔵デバイス、例えばスーパー及び／又はウルトラキャパシタ材料などにおいて使用されるように、強いポテンシャル（ｓｔｒｏｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を有する。
【0056】
本発明は従って、新たな巨大誘電率材料に関する。これらの材料の何れかは、電子デバイスの最小化及び／又は高電気エネルギー貯蔵デバイスの製造に有益であり得る。それらは、非常に広い温度範囲にわたる比較的低い誘電損失及び適度に良好な温度安定性とともに、１０，０００を超える誘電率を有することができる。これらの特性は、同様の機能を果たす既存の材料系と比較して優れている。
【0057】
本発明は、広い温度範囲、通常液体窒素温度（略７７Ｋ）から略２００ｏＣまでにわたって巨大な誘電率を示し、この全温度範囲にわたって略０．３未満の誘電損失を有する、本明細書に記載の材料として重要である。
【0058】
本発明は通常、例えば（Ｉｎ，Ｎｂ，Ｔｉ）Ｏ２などの修飾ルチル型電子セラミックス、及び巨大誘電率材料としてのそれらの使用に関する。本発明者はここで、実際の用途に対して実現可能な温度安定性を有する顕著に損失の少ない巨大誘電率材料を製造するための設計戦略を開示する。本発明の材料を作るためのプロセスは、ＴｉＯ２ルチル内へのドナー−アクセプタ共置換を表すと思われる。結晶化学共置換原理は、酸素空孔、カチオン空孔及びＴｉ３＋格子間イオンなどの固有の欠陥の出現を回避すると考えられる。この設計原理はまた、Ｔｉ３＋イオンの形成及び濃度を制御し、Ｔｉ３＋カチオンによって作られかつ構造歪みに結び付く局所歪みを収容（又は解放）する能力を提供し、それは結果として、Ｔｉ３＋カチオンから準自由電子を局在化し、誘電分極を高め、誘電損失を低減し、温度安定性を向上させる。
【0059】
本発明の材料は、一般化学式：（Ａ３＋，Ｂ５＋）ｘＴｉ１−ｘＯ２（ここで、Ａ３＋はＢｉ３＋、Ｉｎ３＋、Ｇａ３＋などの三価の遷移金属イオン、若しくはレアアース元素の３＋イオンであるか、又はそれらの混合物であり得、Ｂ５＋はＮｂ５＋、Ｗ５＋若しくはＴａ５＋イオンなどの五価のイオン、又はそれらの混合物である）を有する。これらの化合物は通常、例えば１０，０００を超える巨大な誘電率、妥当な誘電損失、及び良好な温度安定を有する。これらの材料を作るための本明細書に記載のプロセスは、広い温度範囲にわたる０．３未満の誘電損失及び比較的良好な温度安定性（例えば、室温から２００ｏＣまでの温度範囲にわたって１９００ｐｐｍ／Ｋ未満である）とともに、１０，０００を超える高い誘電率の材料を得るのに必要とされる合成手順及び処理条件を含む。従って本明細書では、以下について説明する：・設計戦略：化学式：（Ａ３＋，Ｂ５＋）ｘＴｉ１−ｘＯ２による、ＴｉＯ２ルチルにおけるＴｉ４＋サイトへのアクセプタ−ドナー共置換。すべてではないが多くの場合、ＡとＢのモル比は１に等しく、つまり材料は式：（Ａ３＋０．５−δＢ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２を有し、ｘはその材料がルチル構造を有するような値（例えば０＜ｘ＜０．１又は０．０００５＜ｘ＜０．００５）であり、δは０と０．０２５との間（０と０．０２５も含む）である。
・Ａｌ３＋、Ｂｉ３＋、Ｉｎ３＋、Ｇａ３＋及びレアアース元素を含むが、これらに限定されない三価のイオン、並びにそれらの混合物は、ＴｉＯ２ルチル内にドープされるアクセプタイオン（Ａ３＋）の候補である。
・Ｎｂ５＋、Ｔａ５＋、Ｗ５＋を含むが、これらに限定されない五価のイオン、並びにそれらの混合物は、ＴｉＯ２内にドープされるドナーイオン（Ｂ５＋）としての候補である。
・Ｎｂ５＋、Ｔａ５＋、Ｗ５＋を含む五価のドナーイオン、並びにそれらの混合物は、近隣に三価のアクセプタイオンＡ３＋が存在しないとき、ＴｉＯ２における近隣のＴｉ４＋イオンのＴｉ３＋イオンへの還元を誘導し得る。Ｔｉ３＋イオンの最大量は従って、ドーパントの五価のイオンＢ５＋の濃度によって制御される。
・（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２ルチル（ここで、Ａ＝Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ若しくはレアアース元素、又はこれらの何れか２以上の混合物であり、Ｂ＝Ｎｂ、Ｗ及びＴａ、又はこれらの何れか２以上の混合物であり、固体状態反応による（Ｉｎ０．５−δＮｂ０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２を含む）を合成するアプローチ。
・Ａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２の未加工の酸化物粉末をともに混合し、結果として生じる粉末をペレットにプレスし、続いて閉鎖加熱炉において１３５０ｏＣ−１４５０ｏＣの温度範囲にわたってアニーリングをすることによって、高密度（ｄｅｎｓｅ）で良好に結晶化された（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２電子セラミックスペレットを合成する手順。
・必要とされる化学組成：（Ｉｎ０．５−δＮｂ０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２に従ってＩｎ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５及びＴｉＯ２酸化物粉末を混合し、結果として生じる粉末をペレットにプレスし、続いて閉鎖ボックス加熱炉において１４５０ｏＣ付近の温度で１０時間アニーリングをし、高密度で良好に結晶化されたセラミックスペレットを製造することによって、Ｉｎ３＋及びＮｂ５＋が共ドープされたＴｉＯ２ルチル電子セラミックスを合成する手順。
・結果として生じる材料の平均構造がルチル構造型である、上記の電子セラミックス。
・単一相のペレット形態である、上記の電子セラミックス。
・１ｋＨｚから１ＭＨｚの広い周波数範囲にわたって室温で、２００００を超える（４００００まで）の高い誘電率及び０．３未満の誘電損失を有する、（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２電子セラミックスペレット。
・１ｋＨｚから１ＭＨｚの広い周波数範囲にわたって室温で、１００００を超える高い誘電率及び０．３未満の誘電損失を有する、（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２電子セラミックスペレット。
・１ＭＨｚにおいて室温で、２００００を超える高い誘電率及び０．１５未満の誘電損失を有する、（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２電子セラミックスペレット。
・（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２化合物は、−１００ｏＣから＋２００ｏＣにおいて誘電率の正の温度係数を有する。
・（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２化合物は、−１７０ｏＣから−２０ｏＣにおいて６２０ｐｐｍ／ｏＣの、又は−１７０ｏＣから−２０ｏＣにおいてわずか６２０ｐｐｍ／ｏＣの（ｎｏ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ）誘電率の温度係数を有する。
・（Ａ３＋（（４−５ｎ）／３）−δＢ５＋ｎ）ｘＴｉ１−ｘＯ２化合物は、室温から２５０ｏＣまでにおいて１９００ｐｐｍ／ｏＣの誘電率の温度係数を有する。
・電子セラミックス材料は、室温から２００ｏＣまでの温度範囲において、０．３未満の誘電損失を有する。
・本方法は、すべてのアクセプタ−ドナー共ドープＴｉＯ２ルチル材料を製造するのに広く使用され得る。
【0060】
本発明の材料は、小さいキャパシタンス部品を作るのに使用され得る。例えば、４．７ｍｍの直径及び０．４ｍｍの厚さを有する単層キャパシタは、略５２ｎＦのキャパシタンスを有することができる。このキャパシタンスは、同サイズの純粋なＴｉＯ２キャパシタよりも２００倍以上高い。反対に、同じキャパシタンスにするためには、キャパシタのサイズ（面積と厚さの比率）は、対応する純粋なＴｉＯ２キャパシタの０．５％に低減され得る。
【0061】
これらのプロトタイプのキャパシタの温度安定性の多くは、実際の用途に対して顕著なポテンシャルを示す標準Ｘ７Ｒキャパシタコードの要件を満たす。巨大な誘電率を有する材料の正確な組成は、ユーザの特定の要件（異なる温度範囲にわたる温度安定性、又は異なる誘電損失要件など）に応じて最適化され得る。
【0062】
図１は、室温でのドープＴｉＯ２ルチルのＸ線回折パターンを示す。ＸＲＤパターンは、０．０５％から５％の範囲でのＩｎ＋Ｎｂドーピング濃度に対して、ドーピングがＴｉＯ２の平均ルチル構造を変更しないことを示す。ドーパント濃度が増加すると、パターンは低角度に向かって僅かにシフトする。この角度の減少は通常、ユニットセルパラメータの増加を示すため、このことは、Ｉｎ３＋＋Ｎｂ５＋の平均半径がＴｉ４＋より大きいときにＩｎ３＋及びＮｂ５＋イオンが格子内でＴｉ４＋に置換される、という証拠を提供し得る。
【0063】
図２は、室温でのＩｎ＋ＮｂドープＴｉＯ２の誘電周波数スペクトルを示す。この図面から、低周波数範囲における誘電分極が電子又はイオン伝導挙動に寄与できる空間電荷から生じることを見ることができる。結果として、損失が周波数の増加とともに顕著に減少する一方、誘電率はより高いが僅かに減少する。デバイタイプの誘電分極緩和がまた、１ＫＨｚを超える周波数範囲で観察され、ここで、誘電率は減少ステップを有するが、対応する周波数範囲において誘電損失ピークが存在する。誘電率及び損失はともに、１ＭＨｚ付近の高い周波数範囲において周波数依存性をあまり示さず、このタイプの材料が高周波数エネルギー貯蔵における使用に適切であり得ることを示唆する。
【0064】
図３は、ドーパント濃度に対するＩｎ＋ＮｂドープＴｉＯ２の誘電率及び損失正弦を示す。５００ＫＨｚで測定されるとき、ドープＴｉＯ２の誘電率は２×１０４を超え、対応する損失は０．１５未満であることが見出される。
【0065】
図４は、室温範囲未満の温度での誘電率と温度との関係を説明する典型的な曲線である。ドープＴｉＯ２が測定された温度範囲にわたってその高誘電率を実質的に一定に維持することは明らかである。誘電率のその温度係数は、略−１７０ｏＣから略−２０ｏＣの範囲にわたって略６５０ｐｐｍ／ｏＣ未満である。
【0066】
図５は、室温を超える温度でのＩｎ＋ＮｂドープＴｉＯ２の誘電率（ａ）及び損失（ｂ）を示す。これらの曲線は、ドープＴｉＯ２が室温から略２００ｏＣの温度範囲で非常に弱い温度依存性を有することを示し、その優れた温度安定性（誘電率の温度係数は、大体０．２％未満である）及び高いエネルギー貯蔵能力を示唆する。図５では、異なる曲線は、異なる周波数で得られたデータを表す。実線は１ｋＨｚで測定され、破線は１０ｋＨｚで測定され、点線は１００ｋＨｚで測定された結果である。
【0067】
図６は、ボールミリングの使用、添加物の添加、及びアニーリング温度と持続時間の変更、並びに温度の上昇速度などの処理条件及びアプローチを最適化した後の、０．０５％から０．５％、５％、１０％の異なる（Ｉｎ＋Ｎｂ）濃度を有する（Ｉｎ＋Ｎｂ）ドープＴｉＯ２の周波数依存誘電特性を示す。
【0068】
図７は、ボールミリングの使用、添加物の添加、及びアニーリング温度と持続時間の変更、並びに温度の上昇速度などの処理条件及びアプローチを最適化した後の、１０％（Ｉｎ＋Ｎｂ）ＴｉＯ２の温度依存誘電特性を示す。
【0069】
こうして本発明者は、高性能ソリッドステートスーパー（又はウルトラ）キャパシタでの使用に適した材料を開発した。現在の商業市場におけるスーパー（又はウルトラ）キャパシタに関連する材料で匹敵するものは現在存在しないが、それは、全ての現存の巨大誘電率材料は、高い誘電損失、悪い温度安定性、及び／又は再現性のない処理条件などの問題を有するからである。従って、スーパー（ウルトラ）キャパシタの開発のための本発明の使用は、顕著な商業的可能性を有する。本発明の利点は以下を含む：・単純なホスト化合物及び単純な処理：ＴｉＯ２ルチルは単純な化合物である。例えばそれは、非常に高い誘電率を達成するために、０．０５％のＩｎ３＋及びＮｂ５＋の共ドープ（式：（Ａ３＋０．５−δＢ５＋０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２においてｘ＝０．０００５を表す）のみを必要とする。焼結のみのワンステップが、高密度かつ高品質の結晶化サンプルを達成するのに十分である。
・本発明の固有の特徴は、誘電率の温度係数並びに誘電損失正弦がともに相対的に低いことであり、それは主な利点である。
・本発明の材料は、有害な元素又は化合物を使用せずに作ることができる。
【0070】
［実施例１］バルク量の各未加工試薬が、その貯蔵容器から抽出され、Ｈ２Ｏの残留物を除去するために＞１２時間にわたって１５０ｏＣオーブンの中に配置された。高純度（＞９９．９％）の酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、酸化ニオビウム（Ｎｂ２Ｏ５）及びＴｉＯ２粉末が次いで、表１に示される量で無菌秤量容器内において秤量され、＞１５分間めのう乳鉢及び乳棒を用いて手で、エタノール下で活発に混合された。混合された粉末は室温で放置されて乾燥され、略１時間にわたって１５０ｏＣで熱処理され、次いでステンレス鋼シリンダー状ダイ内に挿入され、略４．５メートルトンの圧力の印加により圧縮され、直径１３ｍｍのシリンダー状“ディスク”形状サンプルを形成した。これらは、１４００ｏＣ設定のボックス炉において１０時間にわたって焼結され、高密度である結晶セラミックスペレットを形成した。周囲の室温（略２３ｏＣ）から４００ｏＣにわたる温度で測定された、これらの焼結されたペレットの誘電率及び誘電損失曲線が、それぞれ図５ａ及び図５ｂに示される。これらの図面は、特に２００ｏＣ未満の温度において、サンプルが４×１０４を超える良好な誘電率と、高誘電率材料に対する非常に低い損失正弦（略０．１５）と、を有することを明示する。
【0071】
【表1】
【0072】
［実施例２］ＴｉＯ２（９９．９９％）のルチル結晶がＡｌｄｒｉｃｈ Ｃｏ．によって提供され、Ｎｂ２Ｏ５（９９．９９％）がＳｔａｎｆｏｒｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏ．によって提供され、Ｉｎ２Ｏ３（９９．９９％）がＡｌｄｒｉｃｈ Ｃｏ．によって提供された。これらは２００ｏＣで保管され、吸着された水は完全に除去された。（Ｎｂ＋Ｉｎ）共ドープルチルＴｉＯ２［式：（Ｉｎ０．５Ｎｂ０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２］のセラミックスが、実施例１に記載のハンドグライディングの代わりにボールミリングを使用することは別として、実施例１に記載のプロセスと類似の従来のソリッドステート方法によって調製された。ここでｘは、Ｎｂ及びＩｎのドーピングレベルである。最終的なセラミックスに対する合成条件は、アニーリング温度が１４００ｏＣ、持続時間が１０時間、かつ上昇速度が２ｏＣ／ｍｉｎに最適化された。同一の合成手順がまた、ＩｎがＡｌ、Ｇａ又はＳｃの何れかによって置き換えられた他のサンプルに対しても使用された。唯一の違いは、アニーリング温度が異なる元素に対して最適化されたことであった。
【0073】
相対的に低い誘電損失を有する高誘電率が、ドナーであるニオビウム（Ｎｂ）及びアクセプタであるインジウム（Ｉｎ）のルチルＴｉＯ２ホストへの同時組み込みによる局所的電子ピン止め欠陥双極子の形成、つまり（Ｉｎ０．５Ｎｂ０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２により達成された。例えば０．０５％（Ｎｂ＋Ｉｎ）ドーパントなどの非常に低い（Ｎｂ＋Ｉｎ）のドーピングレベルは、室温で非常に大きい誘電率を生じさせると見出され、その誘電率は略２×１０４程度であり、一方で誘電損失（ｔａｎ δ）は０．０５未満であった。より高いドーピングレベルは、誘電率をほぼ周波数独立性とし、一方で、誘電率が既に略６×１０４まで追加的に増加していても、広い周波数範囲にわたって、ｔａｎ δを１０％（Ｎｂ＋Ｉｎ）ドーパントに対して依然として０．０４未満、特に略０．０２に維持した。しかしながら、例えば２０％などの１０％を超えるドーピングレベルは、相対的に高い誘電損失に影響を及ぼす界面分極の出現につながり、また、第２の不純物相の出現による低周波数誘電率の巨大な増加につながった。
【0074】
電子ピン止め欠陥双極子の形成の別の重要な結果は、巨大な誘電率及び誘電損失（ｔａｎ δ）が８０Ｋから４５０Ｋの範囲にわたってほぼ温度独立性を示すことであった。温度が液体窒素温度付近まで低下した場合でさえも、低温誘電緩和は検知されなかった。
【0075】
［実施例３］（Ａｌ０．５Ｎｂ０．５）ｘＴｉ１−ｘＯ２（ｘ＝０．５％）が、１５００ｏＣで５時間アニールされた。図８は、結果として生じる生成物の誘電体誘電率及び損失の周波数依存性を示す。室温での広い周波数範囲において、０．０５未満の全体の損失とともに、３００，０００を超える高い誘電体誘電率が達成された。
【0076】
（Ａｌ０．０８Ｎｂ０．７５）ｘＴｉ１−ｘＯ２（ｘ＝０．５％）が、１５００ｏＣで４時間合成された。図９は、この生成物の誘電体誘電率及び損失の周波数依存性を示し、１０，０００を超える誘電体誘電率及び０．１未満の損失を提供した。