Электрически управляемые структуры на основе твердых растворов BaZr_xTi_1–x O₃ и BaSn_xTi_1–xO₃ для СВЧ-применений

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 BaZr_xTi_1-xO₃ (BZT)- и BaSn_xTi_1–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 CuK_α1 (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 BaSn_0.5Ti_0.5O₃ и BaZr_0.5Ti_0.5O₃ в устройствах СВЧ-диапазона.

1. Структурные 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.

2. 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.2010.04.004

3. The 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.X

4. Maiti 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: 10.1080/00150193.2011.644168

5. Microstructure, 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/S10854-010-0126-7

6. Broadband 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.86.014106

7. Dielectric 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.2012.03.062

8. Study 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.2017.02.003

9. Ansaree 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.16.00013

10. High 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.2017.11.055

11. Thickness 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.2018.03.208

12. Ultra-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.2018.12.012

13. Xu 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/S10854-020-03114-2

14. Wu 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.2021.04.030

15. Wu 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/S2010135X21500193