КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-29-00757

НазваниеНиобат бария-стронция – новый сегнетоэлектрический материал для сверхвысокочастотных применений

РуководительТумаркин Андрей Вилевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые словамногослойные тонкопленочные структуры, сегнетоэлектрики, ниобат бария-стронция, управляемые СВЧ элементы

Код ГРНТИ47.09.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку физико-химических основ технологии структурированных сегнетоэлектрических пленок ниобата бария-стронция на подложках сверхвысокочастотной электроники и многослойных структур на их основе. Сложность задачи состоит в том, что данные функциональные материалы не согласованы между собой структурно, что является препятствием к ориентированному росту слоев и приводит к деградации их уникальных свойств. Для решения данной задачи в настоящей работе предлагается новый технологический подход к созданию многослойных структур, в котором за счет управления кристаллическими свойствами пленок в процессе их роста, появляется возможность согласовывать кристаллические решетки сегнетоэлектрических пленочных материалов и различных подложек и получать ориентированные покрытия на несогласованных подложках. Это, в свою очередь, дает возможность минимизировать толщину дефектных слоев на границах раздела и, следовательно, управлять такими электрофизическими характеристиками многослойных структур, как нелинейность, потери, быстродействие, температурная зависимость свойств. Реализация предлагаемого подхода позволит получить материалы с качественно новыми параметрами, оптимальными для сверхвысокочастотных применений. В проекте планируются: построение моделей кристаллизации пленок твердых растворов ниобата бария-стронция; исследование механизмов дефектообразования в объеме пленки и на границах раздела многослойных структур; разработка методов структурирования пленки в процессе роста с целью минимизации дефектов структуры и достижения наилучших электрофизических характеристик материала; создание технологии многослойных сверхвысокочастотных структур на основе структурированных многокомпонентных сегнетоэлектрических пленок. Основными достоинствами таких устройств будут являться высокие уровни допустимой рабочей мощности, низкие диэлектрические потери, высокое быстродействие и простота технологии изготовления элементов. Решение поставленных в работе задач в перспективе позволит создать на основе полученных пленок новое поколение сверхвысокочастотных устройств, обладающих принципиально лучшими характеристиками по сравнению с существующими аналогами. В случае успешного выполнения данная работа может стать прорывным шагом на пути широкого использования управляемых элементов на основе функциональных оксидных структур в области беспроводной сотовой и спутниковой связи, радиолокационных, радарных и навигационных систем.

Ожидаемые результаты
• Модели процессов распыления и транспорта частиц в газовой среде. • Модели зародышеобразования и начальных стадий роста и результаты экспериментальных исследований слоев ниобата бария-стронция на различных подложках. • Модели доменного ориентированного роста слоев ниобата бария-стронция на различных подложках. • Экспериментальные данные по механизмам роста оксидных пленок в зависимости от ориентирующего влияния структуры подложки, температуры и скорости осаждения материала. • Новые технологические методики структурирования пленок сегнетоэлектрических твердых растворов SBN, а также технологические условия образования вторичных химических соединений наряду с основной сегнетоэлектрической фазой. • Экспериментальные образцы и данные исследований структурных характеристик пленок ниобата бария-стронция на различных подложках. • Новые данные о высокочастотной дисперсии диэлектрической проницаемости и механизмах СВЧ потерь в сегнетоэлектрических SBN структурах в широком частотном диапазоне (1-60 ГГц). • Результаты исследования быстродействия диэлектрического отклика многослойных структур на основе пленок SBN на полевое воздействие. • Технологические и конструктивные методы минимизации СВЧ потерь и процессов медленной релаксации диэлектрической проницаемости в сегнетоэлектрических структурах. • Результаты исследования нелинейного отклика многослойных структур на основе сегнетоэлектрических SBN пленок на СВЧ сигнал. В результате решения поставленных фундаментальных и прикладных научных задач в рамках настоящего проекта ожидается создание технологии получения функциональных многослойных структур на основе пленок нелинейных диэлектриков, что откроет возможности использования материалов с качественно новыми свойствами для сверхвысокочастотных применений. Данная технология способна обеспечить разработку перестраиваемых СВЧ устройств: управляемых направленных ответвителей и делителей, фазовращателей для нового поколения антенн, цепей подавления паразитных гармоник усилителей, формирователей ультракоротких импульсов для сверхширокополосных систем. Успешное решение поставленных в работе задач в перспективе позволит создать на основе полученных многослойных структур новое поколение СВЧ устройств, обладающих принципиально лучшими характеристиками по сравнению с существующими аналогами. В частности, это позволит решить важнейшую проблему создания радарных систем СВЧ диапазона на основе фазовращателей повышенного уровня СВЧ мощности, увеличить дальность действия радиолокационных и телекоммуникационных систем и улучшить их рабочую надёжность. В случае успешного выполнения данная работа может стать прорывным шагом на пути широкого использования управляемых элементов на основе функциональных оксидных структур в области беспроводной сотовой и спутниковой связи, радиолокационных, радарных и навигационных систем.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Впервые на диэлектрической подложке были выращены релаксорные сегнетоэлектрические тонкие пленки BaSrNb2O6, обладающие нелинейными свойствами, перспективными для применения в сверхвысокочастотном диапазоне. Моделирование процессов распыления стехиометрической мишени, процессов транспорта распыленных атомов через газовую среду и процессов доменного роста позволило определить диапазоны технологических параметров процесса роста пленки, в которых возможно получение стехиометричных пленок. Пленки SBN с хорошей кристалличностью впервые были выращены на поликристаллической подложке из оксида алюминия методом магнетронного распыления. Ориентированные пленки (00l) были получены осаждением в атмосфере кислорода при температуре подложки 950 °C с последующим отжигом на воздухе. Структура, фазовый и элементный состав полученных пленок были исследованы методами рассеяния ионов средней энергии, рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии. Согласно рентгеноструктурному анализу, основной кристаллической фазой пленок, нанесенных на оксид алюминия при температуре подложки ниже 850 °C, является полиниобат SBNO15, который не обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Стабильное образование кристаллических фаз твердого раствора SBN наблюдается при температурах 850 °C и выше. Динамика роста кристаллических фаз в исследуемых пленках с повышением температуры осаждения показывает высокотемпературный характер образования пленочного твердого раствора SBN на поликристаллическом оксиде алюминия по сравнению с вторичными оксидами системы SBN. Показано, что управляемость и микроволновые потери плоских конденсаторов SBN коррелируют с объемной долей фазы SBN в пленке, определяемой температурой осаждения и условиями отжига. Конденсатор на основе пленки SBN, нанесенной при температуре 950 °C и подвергнутой отжигу, демонстрирует управляемость 44% и тангенс угла потерь 0.009 ÷ 0.022 на частоте 2 ГГц, что выражается в коммутационном факторе качества K = 1740. Это первая успешная попытка сформировать плоские емкостные структуры на основе пленок SBN на поликристаллическом оксиде алюминия, которые демонстрируют коммутационный фактор качества выше 1000, подходящий для перестраиваемых микроволновых применений.

 

Публикации

1. Тумаркин А.В., Богдан А., Сапего Е.Н., Гагарин А.Г., Ивлева Л.И., Серенков И.Т., Сахаров В.И. Enhanced Tunable Properties of Strontium Barium Niobate Films on Dielectric Alumina Substrate at Microwaves Coatings MDPI, V. 13 (11), 1937 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/coatings13111937