МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)
Направление 211000.68 Конструирование и технология электронных средств
Магистерская программа 211051.68 Информационные технологии проектирования радиоэлектронных средств
Кафедра микрорадиоэлектроники и
технологии радиоаппаратуры (МИТ)
К защите допустить:
Заведующий кафедрой
Тупик В.А.
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
Тема: Исследование свойств
многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок в диапазоне СВЧ
Студент Шмахтенков И.Д.
Руководитель
Иванов А.А.
Санкт-Петербург
Содержание
Введение
. Отработка технологии получения тонких пленок BST с воспроизводимыми характеристиками
.1 Описание основных элементов базовой технологии получения слоистых структур, содержащих тонкую сегнетоэлектрическую пленку с аномально высокой диэлектрической проницаемостью и воспроизводимыми характеристиками тангенса угла диэлектрических потерь, управляемостью, диэлектрической проницаемостью
.2 Технология изготовления сегнетоэлектрических керамических мишеней.
.3 Оборудование и методика технологического процесса
.3.1 Установка для формирования металлических пленок
.3.2 Установка для напыления пленок BSTO
.4 Выбор технологических режимов получения BST пленок с наиболее высокими диэлектрическими характеристиками Выращивание пленок и рентгеновский дифракционный анализ
.5 Отработка технологии тонких пленок BSTO с воспроизводимыми характеристиками: диэлектрической проницаемостью, тангенсом угла диэлектрических потерь и нелинейностью.
.5.1 Влияние легирования на диэлектрические характеристики BSTO пленок
.5.2 Диагностика BSTO пленок методом рассеяния ионов средних энергий (MEIS)
.5.3 Определение содержания кислорода в BSTO пленках с помощью метода рентгеновского излучения, возбуждаемого ионами (РИВИ).
.5.4 Определение степени легирования пленок BSTO
. Отработка методик измерения диэлектрической проницаемости, управляемости, тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрической пленки, напыленной на диэлектрическую подложку
.1 Отработка методик измерения диэлектрической проницаемости, управляемости, тангенса угла диэлектрических потерь сегнетоэлектрической пленки
.1.1 Расчет погонной емкости в плоскопараллельном конденсаторе, образованном на поверхности диэлектрической структуры
.2 Определение параметров сегнетоэлектрических пленок по измерениям в объемном резонаторе
.2.1 Определение параметров сегнетоэлектрических пленок по измерениям в щелевом полуволновом резонаторе
. Экспериментальные измерения емкости в планарных структурах
.1 Автоматизированная установка для измерений C, tg, их температурных зависимостей и электропроводности
.2 Экспериментальные результаты измерений ёмкости планарного встречно щелевого конденсатора на многослойной сегнетоэлектрической плёнке
. Электродинамический анализ щелевой линии на нанокомпозитной сегнетоэлектрической плёнке
.1 Модель зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектроника от температуры
.2 Расчет постоянной распространения электромагнитного поля в зависимости от температуры и напряженности электрического поля
.2.1 Численный расчет зависимости постоянной распространения электромагнитного поля от температуры и напряженности электрического поля
Заключение
Список
использованной литературы
Введение
Активное развитие радиоэлектроники требует надежных и недорогих компонентов. Повышаются требования к характеристикам радиоэлектронных средств: увеличение добротности, снижение потерь и энергоемкости, улучшение управляемости, повышение мобильности, перенос рабочего диапазона на сверх- и крайне высокие частоты.
Сегнетоэлектрик - это диэлектрик или полупроводник, обладающий в определенном диапазоне температур спонтанной поляризацией. При понижении температуры (до температур называемой точкой Кюри) в таком веществе происходит фазовый переход, связанный с искажением кристаллической структуры, что и приводит к появлению спонтанной поляризации. Спонтанная поляризация сегнетоэлектрика легко изменяется под влиянием внешних воздействий, в частности, при приложении электрического поля.
Сегнетоэлектричество зародилось в 1920 году, когда физик Джозеф Валашек заметил, что вектор поляризации натрий-калиевого тетраттетрагидрата, более известного как сегнетова соль, может изменить свое направление под действием электрического поля. Сложности исследования сегнетоэлектричества заключались в том, что малейшее отклонение от правильного химического состава сегнетовой соли приводило к полному исчезновению этого явления. Сегнетова соль была детально изучена в работах И.В.Курчатова и его сотрудников в Физико-техническом институте Академии наук СССР в 1930-1934 гг.
В 1938 г. появились сообщения об обнаружении сегнетоэлектрических свойств у фосфатов и арсенатов калия, но эти свойства имеют место только при весьма низких температурах (точка фазового перехода дигидрофосфата калия 122К), что делает невозможным их практическое применение.
Первый практически важный сегнетоэлектрик - титанат бария - был открыт в 1944 г. в Физическом институте им. П.Н.Лебедева Академии наук СССР Б.М.Вулом и И.М.Гольдманом. Еще в 1925 г. Было обнаружено, что двуокись титана в виде керамики обладает высокой диэлектрической проницаемостью, и логично было изучить ее модификации с целью получения еще более высокой восприимчивости. Характерная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры и наличие диэлектрического гистерезиса позволили Б.М. Вулу отнести титанат бария к новому виду сегнетоэлектриков. Титанат бария стал наиболее интенсивно исследуемым сегнетоэлектрическим материалом благодаря ряду свойств, полезных для практического применения: механическая и химическая устойчивость, проявление сегнетоэлектрических свойств при комнатной температуре (ТК=120ºС), простота изготовления. Еще одна интересная особенность титаната бария - этот кристалл является многоосным сегнетоэлектриком, т.е. в нем существует несколько возможных направлений спонтанной поляризации. Поэтому его можно использовать для технический применений в виде поликристаллов (керамики), а не в виде дорогостоящих монокристаллов. При воздействии электрического поля на такой кристалл в нем происходит ориентация доменов, которая сохраняется и после снятия поля. Кроме того, используя обычную керамическую технологию, из поликристаллического титаната бария можно изготовить изделия практически любой формы и размеров из достаточно дешевых окислов и солей соответсвующих металлов.
Вскоре после открытия титаната бария В.Л. Гинзбург, эффективно применив теорию фазовых переходов Л.Д. Ландау, создал феноменологическую теорию сегнетоэлектричества, которая до сих пор лежит в основе всех термодинамических описаний сегнетоэлектриков. Затем были созданы модельные теории, которые привели к разделению сегнетоэлектриков на два класса: сегнетоэлектрики типа смещения и сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок. Чёткой границы между этими двумя типами систем не существует, поскольку в любом случае речь идёт об усреднённой по времени структуре. Фактически системы типа порядок - беспорядок можно выделить тем, что в них имеются ионы, для которых среднеквадратичное отклонение от среднего положения аномально велико. В сегнетоэлектриках такого типа при переходе в сегнетоэлектрическую фазу происходит упорядочение имевшихся в исходной фазе диполей.
Джон Кларк Слэтер предположил, что сегнетоэлектрическое поведение титаната бария вызвано дальнодействующими дипольными силами, которые стремятся дестабилизировать высокосимметричную конфигурацию, устанавливающуюся благодаря короткодействующим силам. Это объяснение стало основной моделью переходов типа смещение и имело значительный успех, хотя оно и страдало от большого числа параметров, пока не были сделаны допущения, касающиеся того, какой ион в первую очередь отвечает за ионную неустойчивость. После получения приемлемых результатов при учете движения только иона титана в жестком окружении остальной решетки стала популярной концепция «болтающегося» титанового иона. Проблемы такого представления были преодолены после того как Андерсон и Кокрен поняли, что теорию следует строить в рамках динамики решетки и ограничиться при этом рассмотрением одной из решеточных мод, включающей движение всех атомов и описывающей неустойчивость решетки относительно смещения.
После открытия титаната бария некоторое время считалось, что среди перовскитов титанат бария является единственным сегнетоэлектриком. Но затем в результате исследований физиков было доказано, что в действительности многие перовскиты переходят в сегнетоэлектрическое состояние. Множество сегнетоэлектриков было обнаружено в многокомпонентных системах, для изучения которых требуется много времени. Для преодоления этих трудностей были предложены некоторые простые принцип «конструирования» сложных соединений. Эти принципы позволили в сравнительно сжатые сроки синтезировать большое число сегнетоэлектриков сложного состава.
В 60-е годы продолжался поиск и исследование кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриков с поливалентными ионами, находящимися в одинаковых кристаллографических положениях в решетке. Были открыты сегнетоэлектрики с размытыми фазовыми переходами и новый класс веществ с одновременно электрическим и магнитным упорядочением, названными сегнетомагнетиками. Сегнетоэлектрики с размытым фазовым переходом относятся к неупорядоченным и неравновесным системам и получили широкое применение в конденсаторостроении.
В настоящее время в СВЧ-электронике, в основном, применяются твердые растворы титаната бария-стронция (BaxSr1-xTiO3), благодаря высокому значению диэлектрической проницаемости в широком температурном и частотном интервале и низкому значению тангенса угла диэлектрических потерь.
Изучение сегнетоэлектриков - это не только фундаментальные исследования, расширяющие наши знания о природе твердых тел.Сегнетоэлектрики и родственные им материалы находят широкое применения во многих разделах техники. Они используются для изготовления радиотехнических конденсаторов, пьезоэлектрических преобразователей и фильтров и являются практически единственными материалами для гидроакустических устройств, пироэлектрических приемников инфракрасного излучения, в устройствах обработки и хранения информации, а радио-, акусто- и оптоэлектронике. Сегнетоэлектрики особенно эффективны при работе в условиях, требующих высокой радиационной стойкости.
Интерес к сегнетоэлектрическим материалам не случаен. Во многом он определяется тем особым положением, которое занимают сегнетоэлектрики среди других диэлектрических кристаллов. Среди 32 кристаллических классов есть 20 классов (полярные и полярно-нейтральные кристаллы), которые поляризуются под действием механических напряжений, то есть являются пьезоэлектриками. Из этих 20 классов кристаллов, без центра симметрии и имеющих полярные оси, можно выделить 10 классов, обладающих особенными полярными направлениями - пироэлектрические кристаллы. Сегнетоэлектрики - это подгруппа пироэлектриков с переключаемой внешним электрическим полем поляризацией. Таким образом, сегнетоэлектрики обязательно обладают пироэлектрическими и пьезоэлектрическими свойствами.
Основные характерные особенности сегнетоэлектрических кристаллов:
) наличие спонтанной поляризации в определенном диапазоне температур, ограниченном температурой Кюри (TK);
) нелинейная гистерезисная зависимость поляризации от поля;
) диэлектрическая проницаемость в полярной фазе и вблизи TK достигает огромных величин, вплоть до 104-105;
) величина диэлектрической проницаемости сильно зависит от напряженности электрического поля;
) наличие доменной структуры при температурах ниже TK;
) высокие значения пироэлектрических коэффициентов;
) большие величины пьезоэлектрических модулей.
К фундаментальным особенностям сегнетоэлектриков относится их способность в полярной фазе (ниже точки Кюри) разбиваться на большое число крошечных областей с постоянной, возникающей самопроизвольно электрической поляризацией, называемых доменами. Однако при обычных условиях направления поляризации в отдельных доменах различны, и поэтому во всем образце дипольные моменты доменов компенсируют друг друга и суммарная поляризация равна нулю. Образец становится поляризованным лишь после того, как внешнее электрическое поле выстроит домены в определенном направлении. Домены отделены друг от друга доменными стенками - переходными областями, в которых электрические дипольные моменты изменяют свое направление, характерное для одного домена, на направление в другом.
Что управляет образованием и структурой доменов? Если бы образец сегнетоэлектрика был полностью поляризован и представлял собой один большой домен, то он создавал бы сильное внешнее поле, направленное противоположно поляризации и называемое деполяризующим полем. Разделение сегнетоэлектрика на домены приводит к уменьшению деполяризующего поля. Однако процесс разбиения на домены не может идти беспредельно, так как на образование доменных стенок затрачивается определенная энергия. По-видимому, равенство энергии деполяризующего поля и энергии доменных стенок ставит предел дальнейшему разбиению образца на домены и определяет равновесный размер доменов.
При помещении образца сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле, то в нем происходит перемещение доменных стенок, увеличивающее те домены, в которых направление спонтанной поляризации наиболее близко к направлению внешнего поля. Домены эти растут за счет доменов с менее выгодно ориентированным дипольным моментом, и последние сокращаются.
Управляемость сегнетоэлектриком осуществляется внешним электрическим полем и сохраняется в широком диапазоне частот. Электрический способ управления параметрами радиоэлектронных компонентов отличается высокой скоростью, малыми энергетическими затратами и малыми габаритами электрических систем. Поэтому сегнетоэлектрики представляют интерес для исследования.
Значительным потенциалом для разработки СВЧ-управляемых устройств нового поколения обладают слоистые композиции на основе сегнетоэлектрических пленок (СЭП).
Для изготовления управляемых приборов (полосно-пропускающих фильтров, фазовращателей, фазированных антенных решеток, перестраиваемых генераторов СВЧ-излучения и др.) на основе планарных СЭП-структур применяется интегральная технология формирования матриц компонентов, не требующая дополнительного монтажа, сварки и соединения отдельных элементов в электронную цепь.
Структуры, состоящие из диэлектрической подложки с нанесенными на нее сегнетоэлектрическими пленками, обладают возможностью управления фазовой скоростью электромагнитной волны. Электродинамический анализ таких структур должен проводиться с позиций требований к управлению фазовой скоростью. Постоянная распространения электромагнитной волны (а, следовательно, и ее фазовая скорость) в СЭП зависит от температуры. РЭС проектируются для достаточно широкого температурного диапазона, поэтому необходимо добиться стабилизации фазовой скорости. Последняя зависит от толщины пленки, ее диэлектрической проницаемости и толщины подложки.
Методы получения сегнетоэлектрических пленок непрерывно развиваются и совершенствуются. Получение качественных тонких пленок довольно сложная задача. В настоящее время в технологии изготовления пленок развиваются два основных направления:
разработка химических методов. В этих методах источниками являются химические соединения (в основном металлоорганические), а процесс переноса атомов происходит в форме сложных химических комплексов;