ГЕНЕРАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛЕНКОЙ BST ПРИ ДЕЙСТВИИ ОДНООСНОЙ НАГРУЗКИ

Abstract


The electro-mechanical properties of a ferroelectric film of barium strontium titanate (BST) film located on a silicon substrate depend on applied external strain. A significant dependence is observed for concentrations close to values, where a phase transition for the ferroelectric film occurs. A model of single-crystal BST film near the phase transition under uniaxial strain is studied by the thermodynamic theory of phase transitions. The material properties of the film obtained by the model are used for numerical study of the excitation of Rayleigh’ acoustic waves on the surface of the film-substrate heterostructure. Shifting the extrema of S-parameters, characterizing the efficiency of excitation of surface acoustic waves, is shown under the applied strain. The change of S-parameters for the first three resonances determined principally by the geometry of the interdigital electrodes is presented. The largest shift of resonant frequency is observed in a case of the second resonance that corresponds to Sezava wave.

Full Text

Уникальные нелинейные свойства сегнетоэлектри-ческих материалов находят широкое применение в из-готовлении различных промышленно важных устрой-ствах [1; 2]. Уменьшение размеров и энергопотребления элементов микроэлектроники приводит к тому, что се-гнетоэлектрические материалы все больше и больше применяются в тонкопленочном исполнении [3–6]. Нанесение пленки нелинейного материала на подложку приводит к изменению физических свойств пленки из-за разных величин термоупругих деформаций пленки и подложки. Это приводит к возможности управления свойствами пленки, меняя температуру нанесения тон-кой пленки, подбирая материал подложки или ее ори-ентацию. Такое направление – деформационная инже-нерия, или straintronics [7–10], быстро развивается, бла-годаря потребности микроэлектроники в материалах, обладающих необходимыми свойствами. Для того, чтобы управлять функциональными свой-ствами тонких пленок таким способом требуется де-тальное понимание связи между физическими свой-ствами пленки и ее деформацией. Такая связь может быть получена из построения термодинамических мо-делей для сегнетоэлектрических пленок и анализа фа-зовых диаграмм, полученных в рамках этих моделей. Деформационное управление свойствами возможно не только через синтез пленки (температура – подложка). Механическое воздействие на подложку будет приво-дить к появлению деформаций, дополнительных к вы-нужденным деформациям в пленке. Зная фазовую диа-грамму, можно найти такую величину воздействия, ко-торое приведет к существенным изменениям физических свойств, или даже к смене фазового состояния сегнето-электрической пленки. Твердые растворы бария-стронция-титана (BST) благодаря своим уникальным свойствам широко ис-пользуются в различных областях микроэлектроники. Термодинамическая теория, разработанная для всего ряда этих твердых растворов [11], позволяет опреде-лить термодинамические потенциалы для пленок необ-ходимого стехиометрического состава и построить для пленок этих составов фазовые диаграммы [12]. Линеа-ризация модельных уравнений состояния позволяет определить материальные постоянные для линейных уравнений пьезоэффекта, без которых невозможна раз-работка практических устройств. Зависимость матери-альных постоянных от величины вынужденной дефор-мации и фазового состояния пленки [13–16] позволяет сделать выбор материала активной пленки и охаракте-ризовать условия использования. В данной работе на основе термодинамической мо-дели для пленки BST выделенной концентрации, нане-сенной на кубическую подложку (001) среза монокри-сталлического кремния и испытывающей одноосную деформацию, исследованы условия для эффективной генерации поверхностных акустических волн (ПАВ). С помощью пакета конечно-элементного моделирова-ния COMSOL Multiphysics исследована возможность управления поверхностной акустической волной, воз-буждаемой пленкой на ограниченной кремниевой под-ложке, при помощи одноосной деформации.

About the authors

V. B. Shirokov1

Southern Scientific Center of RAS ; Southern Federal University,

P. E. Timoshenko

Southern Federal University,

V. V. Kalinchuk

Southern Scientific Center of RAS

References

  1. Ferroelectric materials for microwave tunable applications / A.K. Tagantsev, V.O. Sherman, K.F. Astafiev, J. Venkatesh, N. Setter // Journal of Electroceramics. – 2003. – Vol. 11. – P. 5–66. doi: 10.1023/B:JECR.0000015661.81386.e6
  2. Gevorgian S. Ferroelectrics in microwave devices, circuits and systems. Physics, Modelling, fabrication and measurements. – London: Springer-Verlag, 2009. – 396 p. doi: 10.1007/978-1-84882-507-9
  3. Dawber M., Rabe K.M., Scott J.F. Physics of thin-film fer-roelectric oxides // Rev. Mod. Phys. – 2005. – Vol. 77. – P. 1083–1130. doi: 10.1103/RevModPhys.77.1083
  4. Ferroelectric thin films: Review of materials, properties, and applications / N. Setter, D. Damjanovic, L. Eng, G. Fox [et al.] // Journal of Applied Physics. – 2006. – Vol. 100. – P. 051606(47). doi: 10.1063/1.2336999
  5. Martin L.W., Chu Y.-H., Ramesh R. Advances in the growth and characterization of magnetic, ferroelectric, and multifer-roic oxide thin films // Materials Science and Engineering R. – 2010. – Vol. 68. – P. 89–133. doi: 10.1016/j.mser.2010.03.001
  6. Ahmed A., Goldthorpe I.A., Khandani A.K. Electrically tunable materials for microwave applications // Applied Physics Reviews. – 2015. – Vol. 2. – P. 011302(17). doi: 10.1063/1.4906255
  7. Strain tuning of ferroelectric thin films / D.G. Schlom, L.-Q. Chen, C.-B. Eom, K.M. Rabe [et al.] // Annu. Rev. Mater. Res. – 2007. – Vol. 37. – P. 589–626. doi: 10.1146/annurev.matsci.37.061206.113016
  8. Cao J., Wu J. Strain effects in low-dimensional transition metal oxides // Materials Science and Engineering R. – 2011. – Vol. 71. – P. 35–52. doi: 10.1016/j.mser.2010.08.001
  9. Elastic strain engineering of ferroic oxides / D.G. Schlom, L.-Q. Chen, C.J. Fennie, V. Gopalan [et al.] // MRS Bulletin. – 2014. – Vol. 39. – P. 118–130. doi: 10.1557/mrs.2014.1
  10. New modalities of strain-control of ferroelectric thin films / A.R. Damodaran, J.C. Agar, S. Pandya, Z. Chen [et al.] // J. Phys.: Condens. Matter. – 2016. – Vol. 28. – P. 263001(36). doi: 10.1088/0953-8984/28/26/263001
  11. Concentration phase diagram of BaxSr1−xTiO3 solid solu-tions / V.B. Shirokov, V.I. Torgashev, A.A. Bakirov, V.V. Lemanov // Phys. Rev. B. – 2006. – Vol. 73. – P. 104116(7). doi: 10.1103/PhysRevB.73.104116
  12. Phenomenological theory of phase transitions in epitaxial BaxSr1−xTiO3 thin films / V.B. Shirokov, Yu.I. Yuzyuk, B. Dkhil, V.V. Lemanov // Phys. Rev. B. – 2009. – Vol. 79. – P. 144118(9). doi: 10.1103/PhysRevB.79.144118
  13. Anomalies of piezoelectric coefficients in barium titanate thin films / Shirokov V., V. Kalinchuk, R. Shakhovoy, Yu. Yuzyuk // EPL. – 2014. – Vol. 108. – P. 47008(5). doi: 10.1209/0295-5075/108/47008.
  14. Материальные константы твердых растворов (Ba,Sr)TiO3 / В.Б. Широков, Ю.И. Юзюк, В.В. Калинчук, В.В. Леманов // ФТТ. – 2013. – Т. 55, № 4. – С. 709–714. – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/998
  15. К проблеме определения упругих постоянных тонких сегнетоэлектрических пленок / В.Б. Широков, В.В. Калинчук, Р.А. Шаховой, Ю.И. Юзюк // Доклады академии наук, физика. – 2015. – Т. 463, № 6. – С. 655–660.
  16. Материальные константы тонких пленок титаната ба-рия / В.Б. Широков, В.В. Калинчук, Р.А. Шаховой, Ю.И. Юзюк // ФТТ. – 2015. – Т. 57, № 8. – С. 1509–1514. – URL: https://journals.ioffe.ru/articles/42109
  17. Широков В.Б., Тимошенко П.Е., Калинчук В.В. Управление свойствами сегнетоэлектрической пленки BaxSr1-xTiO3 // Прикладная механика и техническая физика. – 2021. – № 5. – С. 80–88. doi: 10.15372/PMTF20210508

Statistics

Views

Abstract - 113

PDF (Russian) - 133

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Shirokov1 V.B., Timoshenko P.E., Kalinchuk V.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies