GENERATION OF SAW IN BST FERROELECTRIC FILM UNDER UNIAXIAL STRAIN

Аннотация


Электромеханические свойства сегнетоэлектрической пленки титаната бария строн- ция (BST) на подложке кремния зависят от приложенной деформации. Особенно сильная зависимость наблюдается для концентраций, близких к значениям, при которых происхо- дит смена фазовых состояний сегнетоэлектрической пленки. В рамках термодинамической теории фазовых переходов исследована модель монокристаллической пленки BST вблизи такой области под действием одноосной растягивающей нагрузки. Полученные в модели материальные постоянные пленки использованы для численных расчетов возбуждения рэлеевских акустических волн на поверхности гетероструктуры пленка-подложка. Показа- но, что при изменении деформации происходит смещение экстремумов S-параметров, характеризующих эффективность возбуждения поверхностных волн. Приведено измене- ние S-параметров для первых трех резонансов, определяемых геометрией встречно- штыревых электродов. Наибольшее смещение резонансных частот наблюдается для вто- рого резонанса – волны Сезава.

Полный текст

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.

Об авторах

В. Б. Широков

Южный научный центр РАН ; Южный федеральный университет

П. Е. Тимошенко

Южный федеральный университет

В. В. Калинчук

Южный научный центр РАН

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 112

PDF (Russian) - 133

Cited-By


PlumX


© Широков В.Б., Тимошенко П.Е., Калинчук В.В., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах