radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-2-74-81radioelectronics-620Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА СВЧMICROWAVE ELECTRONICSЭлектрически управляемые структуры на основе твердых растворов BaZrxTi1–x O3 и BaSnxTi1–xO3 для СВЧ-примененийElectric Tunable Structures Based on BaZrxTi1–x O3 and BaSnxTi1–xO3 Solid Solutions for Microwave Applicationshttps://orcid.org/0000-0001-9858-3846ТумаркинА. В.TumarkinA. V.

кандидат технических наук (1999), доцент (2005), доктор технических наук (2017), профессор кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022, Россия 

 

 Cand. Sci (Eng.) (1999), Docent (2005), Dr Sci. (Eng.) (2005), Professor at the Department of Physical Electronics and Technology

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022, Russia 

avtumarkin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1124-4081СапегоЕ. Н.SapegoE. N.

 исследователь (аспирантура, 2021), младший научный сотрудник (2019)

 ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022, Россия

 Postgraduate (2021), Researcher Assistant (2019) 

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022, Russia 

ensapego@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5673-2372ГагаринА. Г.GagarinA. G.

 кандидат технических наук (2007), доцент кафедры физической электроники и технологии

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022, Россия

 Cand. Sci (Eng.) (2007), Associate Professor at the Department of Physical Electronics and Technology 

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022, Russia 

aggagarin@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8709-6361МухинН. В.MukhinN. V.

 кандидат технических наук (2014), научный сотрудник 

ул. Магдебургер, д. 50, Бранденбург-на-Гавеле, 14770,Германия

 Cand. Sci (Eng.) (2014), Research Officer

50, Magdeburger St., Brandenburg an der Havel 14770, Germany 

mukhin.nikolay.v@gmail.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationУниверситет прикладных наук БранденбургаГерманияUniversity of Applied Sciences BrandenburgGermany2022270420222527481Copyright © Тумаркин А.В., Сапего Е.Н., Гагарин А.Г., Мухин Н.В., 20222022Тумаркин А.В., Сапего Е.Н., Гагарин А.Г., Мухин Н.В.Tumarkin A.V., Sapego E.N., Gagarin A.G., Mukhin N.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/620

Введение. Проведено экспериментальное исследование структурных и электрофизических свойств многокомпонентных пленок твердых растворов титаната-цирконата бария и титаната-станната бария на подложках сапфира. Данные материалы являются альтернативой более исследованному титанату бария-стронция для использования в СВЧ-технике ввиду сравнительно высокой управляемости. В данной статье показано, что при использовании постростового высокотемпературного отжига на подложке формируются пленки с компонентным составом, близким к составу распыляемых мишеней. Определены оптимальные температуры осаждения тонких пленок титаната-цирконата бария и титаната-станната бария для получения наилучших электрофизических параметров.Цель работы. Исследование структурных и СВЧ-свойств BaZrxTi1-xO3 (BZT)- и BaSnxTi1–xO3 (BSnT)-пленок на диэлектрических подложках. Данные сегнетоэлектрические материалы перспективны с точки зрения потерь и нелинейности, а формирование планарных структур на основе этих материалов на диэлектрической подложке позволяет обеспечить существенно больший уровень рабочей мощности СВЧ-устройства.Материалы и методы. Кристаллическая структура и фазовый состав полученных пленок исследовались методом рентгеновской дифракции с помощью дифрактометра ДРОН-6 на эмиссионной спектральной линии CuKα1 (λ = 1.5406 Å). Измерения емкости C и добротности Q = 1/tg δ конденсаторов проводились на частотах 1 и 3 ГГц с помощью резонатора и векторного анализатора HP 8719C.Результаты. Установлено, что высокотемпературный отжиг после осаждения пленки существенно влияет на кристаллическую структуру, фазовый состав пленок и их электрические характеристики. Впервые продемонстрирован низкий уровень диэлектрических потерь планарных емкостных элементов на основе пленок титаната-станната и титаната-цирконата бария в частотном диапазоне 1…60 ГГц при приемлемой управляемости.Заключение. Результаты свидетельствуют о перспективности использования тонких сегнетоэлектрических пленок твердых растворов BaSn0.5Ti0.5O3 и BaZr0.5Ti0.5O3 в устройствах СВЧ-диапазона.

Introduction. An experimental study of the structural and electrophysical properties of multicomponent films of solid solutions of barium titanate-zirconate and barium titanate-stannate on sapphire substrates has been carried out. These materials are an alternative to the more studied barium-strontium titanate for use in microwave technology, due to the relatively high controllability. In this paper, it is shown that when using post-post high-temperature annealing, films with a component composition close to the composition of the sprayed targets are formed on the substrate. Optimal deposition temperatures of thin films of barium titanate-zirconate and barium titanate-stannate have been determined to obtain the best electrophysical parameters.Aim. Investigation of structural and microwave properties of BaZrxTi1-xO3 (BZT) and BaSnxTi1–xO3 (BSnT) films on dielectric substrates. These ferroelectric materials are promising in terms of losses and nonlinearity, and the formation of planar structures based on these materials on a dielectric substrate allows for a significantly higher level of operating power of the microwave device.Materials and methods. The crystal structure and phase composition of the obtained films were studied by X-ray diffraction using a DRON-6 diffractometer on the emission spectral line CuKa1 (λ = 1.5406 Å). Capacitance C and Q-factor (Q = 1/tg δ) of capacitors were measured at frequencies of 1 and 3 GHz using a resonator and an HP 8719C vector analyzer.Results. It is established that high-temperature annealing after film deposition has a significant effect on the crystal structure, phase composition of films and their electrical characteristics. For the first time, a low level of dielectric losses of planar capacitive elements based on titanate-stannate and barium titanate-zirconate films in the frequency range of 1…60 GHz with acceptable controllability has been demonstrated.Conclusion. The results obtained indicate the prospects of using thin ferroelectric films of BaSn0.5Ti0.5O3 and BaZr0.5Ti0.5O3 solid solutions in microwave devices.

сегнетоэлектрические тонкие пленкицирконат-титанат бариястаннат-титанат бариявысокочастотное магнетронное распылениерентгеновская дифрактометрияferroelectric thin filmsbarium zirconate-titanatebarium stannate-titanatehigh-frequency magnetron sputteringX-ray diffractometryРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-01024-21-02 от 29.09.2021 (проект FSEE-2021-0014).The work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation № 075-01024-21-02 dated 29.09.2021 (grant number no. FSEE-2021-0014).ReferencesСтруктурные свойства BaZrxTi1–xTiO3 и BaSnxTi1–xTiO3 тонких пленок на монокристаллических подложках / А. В. Тумаркин, А. Г. Гагарин, М. В. Злыгостов, Н. А. Ялымов // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2018. Т. 1. С. 616–620.Tumarkin A. V., Gagarin A. G., Zlygostov M. V., Yalymov N. A. Structural properties of BaZrxTi1–xTiO3 and BaSnxTi1–xTiO3 thin films on single crystal substrates. Elektronika i mikroelektronika SVCh [Microwave Electronics and Microelectronics]. 2018, vol. 1, pp. 616–620. (In Russ.)Electrically tunable dielectric materials and strategies to improve their performances / L. B. Kong, S. Li, T. S. Zhang, J. W. Zhai, F. Y. C. Boey, J. Ma // Progress in Materials Science. 2010. Vol. 55, № 8. P. 840–893. doi: 10.1016/J.PMATSCI.2010.04.004Kong L. B., Li S., Zhang T. S. , Zhai J. W., Boey F. Y. C., Ma J. Electrically tunable dielectric materials and strategies to improve their performances. Progress in Materials Science. 2010, vol. 55, no. 8, pp. 840–893. doi: 10.1016/J.PMATSCI.2010.04.004The properties of BaSn0.15Ti0.85O3 thin film prepared by radio frequency magnetron sputtering from powder target / G. Zhu, Z. Yang, H. Yang, H. Xu, A. Yu // J. of the American Ceramic Society. 2010. Vol. 93, № 10. P. 2972–2974. doi: 10.1111/J.1551-2916.2010.03942.XZhu G., Z. Yang, H. Yang, H. Xu, A. Yu. The properties of BaSn0.15Ti0.85O3 thin film prepared by radio frequency magnetron sputtering from powder target. J. of the American Ceramic Society. 2010, vol. 93, no. 10, pp. 2972–2974. doi: 10.1111/J.1551-2916.2010.03942.XMaiti T., Guo R., Bhalla A. S. Evaluation of experimental resume of BaZrxTi1–xO3 with perspective to ferroelectric relaxor family: an overview // Ferroelectrics. 2011. Vol. 425, № 1. P. 4–26. doi: 10.1080/00150193.2011.644168Maiti T., Guo R., Bhalla A. S. Evaluation of experimental resume of BaZrxTi1–xO3 with perspective to ferroelectric relaxor family: an overview. Ferroelectrics. 2011, vol. 425, no. 1, pp. 4–26. doi: 10.1080/00150193.2011.644168Microstructure, dielectric properties and diffuse phase transition of barium stannate titanate ceramics / W. Cai, Yi. Fan, J. Gao, Ch. Fu, X. Deng // J. of Materials Science: Materials in Electronics. 2011. Vol. 22, № 3. P. 265–272. doi: 10.1007/S10854-010-0126-7Cai W., Fan Yi., Gao J., Fu Ch., Deng X. Microstructure, dielectric properties and diffuse phase transition of barium stannate titanate ceramics. J. of Materials Science: Materials in Electronics. 2011, vol. 22, no. 3, pp. 265–272. doi: 10.1007/S10854-010-0126-7Broadband dielectric response of Ba(Zr,Ti)O3 ceramics: from incipient via relaxor and diffuse up to classical ferroelectric behavior / D. Nuzhnyy, J. Petzelt, M. Savinov, T. Ostapchuk, V. Bovtun, M. Kempa, J. Hlinka, V. Buscaglia, M. T. Buscaglia, P. Nanni // Physical Review B. 2012. Vol. 86, № 1. P. 014106. doi: 10.1103/PHYSREVB.86.014106Nuzhnyy D., Petzelt J., Savinov M., Ostapchuk T., Bovtun V., Kempa M., Hlinka J., Buscaglia V., Buscaglia M. T., Nanni P. Broadband dielectric response of Ba(Zr,Ti)O3 ceramics: from incipient via relaxor and diffuse up to classical ferroelectric behavior. Physical Review B. 2012, vol. 86, no. 1, pp. 014106. doi: 10.1103/PHYSREVB.86.014106Dielectric inspection of BaZr0.2Ti0.8O3 ceramics under bias electric field: A survey of polar nano-regions / Q. Xu, D. Zhan, D. P. Huang, H. X. Liu, W. Chen, F. Zhang // Materials Research Bulletin. 2012. Vol. 47, № 7. P. 1674–1679. doi: 10.1016/J.MATERRESBULL.2012.03.062Xu Q., Zhan D., Huang D. P., Liu H. X., Chen W., Zhang F. Dielectric inspection of BaZr0.2Ti0.8O3 ceramics under bias electric field: A survey of polar nanoregions. Materials Research Bulletin. 2012, vol. 47, no. 7, pp. 1674–1679. doi: 10.1016/J.MATERRESBULL.2012.03.062Study on the influence of powder size on the properties of BTS/ITO thin film by RF sputtering from powder target / G. S. Zhu, H. R. Xu, J. J. Li, P. Wang, X. Y. Zhang, Y. D. Chen, D. L. Yan // Materials Lett. 2017. Vol. 194. P. 90–93. doi: 10.1016/J.MATLET.2017.02.003Zhu G. S., H. R. Xu H. R., Li J. J., Wang P., Zhang X. Y., Chen Y. D., Yan D. L. Study on the influence of powder size on the properties of BTS/ITO thin film by RF sputtering from powder target. Materials Letters. 2017, vol. 194, pp. 90–93. doi: 10.1016/J.MATLET.2017.02.003Ansaree M. J., Upadhyay S. Study of phase evolution and dielectric properties of Sn-doped barium titanate // Emerging Materials Research. 2017. Vol. 6, № 1. P. 21–28. doi: 10.1680/JEMMR.16.00013Ansaree M. J., Upadhyay S. Study of phase evolution and dielectric properties of Sn-doped barium titanate. Emerging Materials Research. 2017, vol. 6, no. 1, pp. 21–28. doi: 10.1680/JEMMR.16.00013High tunability in (110)-oriented BaZr0.2Ti0.8O3 (BTZ) lead-free thin films fabricated by pulsed laser deposition / Sh. Yu, R. Liu, L. Ge, L. Zhao, L. Li, Ch. Zhang, H. Zheng, Yo. Sun // Ceramics International. 2018. Vol. 44, № 3. P. 3005–3008. doi: 10.1016/J.CERAMINT.2017.11.055Yu Sh., Liu R., Ge L., Zhao L., Li L., Zhang Ch., Zheng H., Sun Yo. High tunability in (110)-oriented BaZr0.2Ti0.8O3 (BTZ) lead-free thin films fabricated by pulsed laser deposition. Ceramics International. 2018, vol. 44, no. 3, pp. 3005–3008. doi: 10.1016/J.CERAMINT.2017.11.055Thickness dependence of microstructure, dielectric and leakage properties of BaSn0.15Ti0.85O3 thin films / M. Wu, Ch. Zhang, Sh. Yu, L. Li // Ceramics International. 2018. Vol. 44, № 10. P. 11466–11471. doi: 10.1016/J.CERAMINT.2018.03.208Wu M., Zhang Ch., Yu Sh., Li. L. Thickness dependence of microstructure, dielectric and leakage properties of BaSn0.15Ti0.85O3 thin films. Ceramics International. 2018, vol. 44, no. 10, pp. 11466–11471. doi: 10.1016/J.CERAMINT.2018.03.208Ultra-high energy density thin-film capacitors with high power density using BaSn0.15Ti0.85O3/Ba0.6Sr0.4TiO3 heterostructure thin films / Sh. Yu, Ch. Zhang, M. Wu, H. Dong, L. Li // J. of Power Sources. 2019. Vol. 412. P. 648–654. doi: 10.1016/J.JPOWSOUR.2018.12.012Yu Sh., Zhang Ch., Wu M., Dong H., Li L. Ultrahigh energy density thin-film capacitors with high power density using BaSn0.15Ti0.85O3/Ba0.6Sr0.4TiO3 heterostructure thin films. J. of Power Sources. 2019, vol. 412, pp. 648–654. doi: 10.1016/J.JPOWSOUR.2018.12.012Xu L., Xu Y. Effect of Zr4+ content on crystal structure, micromorphology, ferroelectric and dielectric properties of Ba (ZrxTi1-x)O3 ceramics // J. of Materials Science: Materials in Electronics. 2020. Vol. 31, № 7. P. 5492–5498. doi: 10.1007/S10854-020-03114-2Xu L., Xu Y. Effect of Zr4+ content on crystal structure, micromorphology, ferroelectric and dielectric properties of Ba (ZrxTi1-x)O3 ceramics. J. of Materials Science: Materials in Electronics. 2020, vol. 31, no. 7, pp. 5492–5498. doi: 10.1007/S10854-020-03114-2Wu C., Yao M., Yao X. Dielectric tunable properties of BaTi1–xSnxO3 thin films derived from sol-gel soft chemistry // Ceramics International. 2021. Vol. 47, № 14. P. 20230–20238. doi: 10.1016/J.CERAMINT.2021.04.030Wu C., Yao M., Yao X. Dielectric tunable properties of BaTi1–xSnxO3 thin films derived from sol-gel soft chemistry. Ceramics International. 2021, vol. 47, no. 14, pp. 20230–20238. doi: 10.1016/J.CERAMINT.2021.04.030Wu C., Yao M. Dielectric tunable characteristics of compositional-gradient BaTi1–xSnxO3 thin films // J. of Advanced Dielectrics. 2021. Vol. 11, № 04. P. 2150019. doi: 10.1142/S2010135X21500193Wu C., Yao M. Dielectric tunable characteristics of compositional-gradient BaTi1–xSnxO3 thin films. J. of Advanced Dielectrics. 2021, vol. 11, no. 04, pp. 2150019. doi: 10.1142/S2010135X21500193

The authors declare that there are no conflicts of interest present.