Ниобат бария-стронция – новый сегнетоэлектрический материал для сверхвысокочастотных применений

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 проекта 23-29-00757

НазваниеНиобат бария-стронция – новый сегнетоэлектрический материал для сверхвысокочастотных применений

Руководитель Тумаркин 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

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 слова многослойные 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.3390/coatings13111937

2. А.В. Тумаркин, Л.И. Ивлева, К.А. Прохоров, И.А. Новиков, В.В. Воронов, П.А. Лыков, А.О. Якушев, А. Богдан, Е.Н. Сапего Enhanced crystallinity of (Sr,Ba)Nb2O6 films on sapphire and alumina substrates Thin Solid Films, A.V. Tumarkin, L.I. Ivleva, K.A. Prokhorov, I.A. Novikov, V.V. Voronov, P.A. Lykov, A.O. Yakushev, A. Bogdan, E.N. Sapego Enhanced crystallinity of (Sr,Ba)Nb2O6 films on sapphire and alumina substrates // Thin Solid Films V. 806, (2024), 140528 https://doi.org/10.1016/j.tsf.2024.140528 (год публикации - 2024)
10.1016/j.tsf.2024.140528

3. Тумаркин А. В., Богдан А., Карамов А. Р., Сапего Е. Н. Синтез и структурные свойства преимущественно ориентированных пленок (Sr,Ba)Nb2O6 на поликоре Письма в Журнал Технической Физики (год публикации - 2024)

4. Алексей Пугачев, Андрей Тумаркин, Сергей Адищев, Людмила Ивлева, Алексей Богдан Characterization of the Microstructure of Sr0.75Ba0.25Nb2O6 Thin Films by Brillouin Light Scattering Nanomaterials, Pugachev, A.; Tumarkin, A.; Adichtchev, S.; Ivleva, L.; Bogdan, A. Characterization of the Microstructure of Sr0.75Ba0.25Nb2O6 Thin Films by Brillouin Light Scattering // Nanomaterials 2024, 14, 1963. https://doi.org/10.3390/nano14231963 (год публикации - 2024)
10.3390/nano14231963

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На втором этапе работы обобщены результаты исследований структурных свойств пленок ниобата стронция бария на моно- и поликристаллических подложках оксида алюминия во взаимосвязи с технологическими параметрами осаждения пленок. Выявлены структурные особенности SBN пленок на сапфире и поликоре, полученных в различных технологических режимах, оказывающие влияние на электрофизические характеристики планарных емкостных структур на их основе. На основе пленок с наилучшими структурными характеристиками реализованы планарные SBN конденсаторы и проведены исследования их малосигнальных электрических характеристик (емкость, диэлектрическая проницаемость, сверхвысокочастотные потери) в зависимости от управляющего полевого воздействия, а также в зависимости от частоты, определен фактор качества SBN конденсаторных структур. Исследованы характеристики быстродействия планарных конденсаторов на основе пленок SBN в зависимости от напряженности управляющего поля. Проведены исследования нелинейного отклика SBN конденсаторов на СВЧ сигнал повышенного уровня мощности на сверхвысоких частотах, определены пороговые уровни рассеиваемой на планарном СЭ конденсаторе мощности, при которых не происходит деградации характеристик устройства. Пленки SBN высокого кристаллического качества впервые выращены на сапфире методом магнетронного распыления и высокотемпературного отжига. Определены оптимальные условия рекристаллизации синтезированной пленки SBN методом отжига ex situ. Высоко (00l) ориентированные пленки на сапфировой подложке были получены осаждением в атмосфере кислорода при температуре подложки 900 °C с постростовым отжигом на воздухе при 1150 °C. Пленки SBN с хорошей кристалличностью впервые выращены на поликристаллической подложке из оксида алюминия методом магнетронного распыления. Показано, что для получения (00l) ориентированных пленок оптимальным содержанием кислорода в газовой смеси является 40%. Недостаток и избыток кислорода в газовой смеси приводит к подавлению роста фазы SBN и формированию вторичных кристаллических фаз. С точки зрения формирования ориентированных (00l) SBN пленок на поликоре оптимальным давлением рабочего газа представляется P = 6 Па. Изменения структуры пленки SBN в результате высокотемпературного постростового отжига впервые идентифицируются нами для исследуемых пленок методом рассеяния Мандельштама-Бриллюена (РМБ). При изучении пленок SBN методом РМБ показано, что толщина исследуемой пленки может быть вычислена, исходя из ширины и структуры пика продольной моды РМБ. Точность определения толщины методом подгонки частотной зависимости спектра LA моды подтверждается данными электронной микроскопии. Кроме того, анализ спектров РМБ для отожженных и не отожженных пленок позволяет сделать вывод о наличии в пленках, подверженных отжигу, субмикронной структуры с размерами зерен 250 нм, что подтверждается данными электронной микроскопии. Резонансное акустическое возбуждение субмикронных частиц приводит к возникновению аномального пика в спектре РМБ, что позволяет идентифицировать особенности строения исследуемых пленок. На основе (00l) ориентированных пленок сформированы планарные управляемые конденсаторы, электрические характеристики которых исследованы на СВЧ. Получены данные о высокочастотной диэлектрической проницаемости и механизмах СВЧ потерь в сегнетоэлектрических SBN структурах в широком частотном диапазоне. Управляемость и СВЧ 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 1.77 раза (44%) и тангенс угла потерь 0.009 ÷ 0.022 на частоте 2 ГГц, что выражается в коммутационном факторе качества K = 1740. Данные измерений диэлектрической проницаемости и потерь конденсаторов SBN в диапазоне частот 1-30 ГГц демонстрируют практическое отсутствие частотной дисперсии проницаемости при приемлемых для СВЧ применений потерях во всем исследованном частотном диапазоне. Результаты исследования быстродействия диэлектрического отклика и процессов медленной релаксации емкости многослойных структур на основе пленок SBN свидетельствуют, что управляемость в 1.77 раза планарных SBN конденсаторов сопровождается замедлением релаксации ёмкости на величину, не превышающую 6%, что является существенным улучшением уровня невозврата емкости СЭ планарных структур. Результаты исследования нелинейного отклика многослойных структур на основе сегнетоэлектрических SBN пленок на СВЧ сигнал позволяют сделать вывод, что пороговые уровни рассеиваемой на планарном СЭ конденсаторе мощности, при которых не происходит деградации характеристик устройства, составляют для SBN структур 0.72 Вт, что на два порядка превосходит допустимые уровни мощности полупроводниковых варакторов на p-n переходе.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В результате решения поставленных фундаментальных и прикладных научных задач в рамках настоящего проекта разработана технология получения функциональных многослойных структур на основе пленок ниобата стронция-бария с перспективными 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. Результаты решения поставленных в работе задач позволяют заложить основу для разработки на основе полученных многослойных структур нового поколения СВЧ устройств, обладающих принципиально лучшими характеристиками по сравнению с существующими аналогами. В частности, результатаы позволяют 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. Результаты работы открывают возможности широкого использования управляемых элементов на основе функциональных оксидных структур в области беспроводной сотовой и спутниковой связи, радиолокационных, радарных и навигационных систем.