CC BY
0УДК 538.9
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МДП СТРУКТУР НА ОСНОВЕ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК Bao.8Sro.2TiO3 НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
НАБИЕВ АСАФ ЭНВЕР оглы
Азербайджанский государственный педагогический университет, Азербайджан, Az 1000 Баку, ул. Уз. Гаджибейли, 68
Аннтоация. В этой работе исследуется зависимость диэлектрической проницаемости от частоты и температуры. Показано, что, логарифм диэлектрической проницаемости линейно зависит от обратной температуры, дает основание говорить о том, что поляризационный процесс имеет активационный характер и энергия активации в некоторой степени зависит от частоты приложенного поля. По мере увеличения частоты приложенного поля энергия активации увеличивается. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости обусловлена инерционностью процессов поляризации.
Ключевые слова: сегнетоэлектрическая пленка Bao.8Sro.2TiO3, диэлектрическая проницаемость, энергия активации, время релаксации
ELECTROPHYSiCAL PROPERTiES OF MDU UNiTS BASED ON BA0.8SR0.2TIO3 MAGNETOELECTRiC LAYERS iN ALTERNATiNG CURRENT
A.A. NABiEV
Summary. In this study, the dependence of dielectric permeability on frequency and temperature was studied. It is shown that the logarithm of the dielectric permittivity directly depends on the inverse value of the temperature, which suggests that the polarization process has the nature of activation and the activation energy depends to a certain extent on the frequency of the testedfield. As you increase the frequency of the field, the activation energy increases. The frequency dependence of the dielectric permittivity is related to the inertia of the polarization process.
Keywords: magnetoelectric layer Baoo.sSroojTiOs, dielectric constant, activation energy, relaxation time
Введение
Среди рассмотренных сегнетоэлектрических материалов особое место занимает титанат бария (BaTiO3). Вводя в титанат бария другие титанаты, например титанат стронция (SrTi03), можно смещать точку Кюри в область более высоких или более низких температур, в зависимости от взятого соотношения указанных титанатов. Твёрдые растворы титаната бария-стронция Ba1-xSrxTi03 (BST) обладают сегнетоэлектрическими свойствами при комнатной температуре, что даёт возможность конструировать управляемые микроэлектронные устройства на их основе. Такие устройства характеризуются низкими диэлектрическими потерями, низким током утечки, отсутствием проблем усталости и старения материала. Он удовлетворяет различным требованиям для приложений с фазовой решеткой, которые включают относительно низкую диэлектрическую проницаемость, низкие диэлектрические потери и высокую диэлектрическую перестраиваемость в диапазон частот от 1 кГц до 1 МГц [1, 2]. Тонкие пленки BST в последнее время интенсивно исследуются, поскольку наличие в них диэлектрической нелинейности позволяет создавать электронно-перестриваемые СВЧ устройства [3]. Среди таких устройств следует выделить фазированные антенные решетки с электронным сканированием по азимуту и высоте [4], перестраиваемые гетеродины с низким уровнем фазового шума [5], перестраиваемые фильтры [6] и параметрические усилители [7].
Одной из важнейших характеристик сегнетоэлектрических пленок, которая позволяет использовать их в качестве активного материала в устройствах микро- и нано электроники, является частотной и температурной зависимостью диэлектрической проницаемости. Информация о температурной и частотной зависимости действительной (г') и мнимой (г") частей комплексной диэлектрической проницаемости (е), тангенсе угла диэлектрических потерь (tgS), электропроводности при постоянном (cdc) и переменном (&dc) электрических полях, а также о закономерностях изменения этих параметров в процессе установления максимально возможной поляризации очень важна при проектировании и определении эффективности материалов в технических применениях в области оптоэлектронных систем [8]. При исследовании дисперсии диэлектрической проницаемости материалов можно получить важные экспериментальные данные о природе поляризации и об инерционности различных механизмов поляризации. В данной работе представлена результаты измерений диэлектрической проницаемости в сегнетоэлектрических пленках Ba0.sSr0.2TiO3 на переменном токе.
Методика эксперимента
Сегнетоэлектрические пленки состава Ba0.sSr0.2TiO3 (BSTO) получены методом высокочастотного реактивного распыления керамической мишени в атмосфере кислорода на установке ПЛАЗМА-50 СЭ по методике, представленной в работе [9]. В качестве подложек использован кремний p-типа марки КДБ 20 с кристаллографической ориентацией [100]. Толщина подложек 200 ± 2 цт. Рентгенодифракционное исследование показало, что для всех исследованных пленок наблюдалось параллельное расположение осей пленки и подложки в плоскости сопряжения, т.е. [100]BSTO||[100]p-S/. Контакты формировались электроннолучевым методом через теневую маску. В качестве материала омического контакта использовалось золото, обладающее наилучшей адгезией к пленке. Площадь контактов составляла 2,7*10"4 см2 , толщина 0,1 цт.
Измерения электрических свойств проводились с помощью цифровых измерителей иммитанса Е7-20 (частоты 25-106 Гц). Этот прибор, работающий по мостовой схеме, позволяет проводить измерения модуля полного сопротивления цепи |Z|, емкости C и угла сдвига фаз между током и напряжениям в широком диапазоне частот. Для электрических измерений были изготовлены образцы из сегнетоэлектрических пленок Ba0.8Sr0.2TiO3 на кремниевых подложках в виде плоских конденсаторов. В качестве обкладок была использована серебряная паста. Диапазон частот переменного электрического поля составлял 25 -106 Гц. На образец подавалось напряжение 1 В.
Результаты и их обсуждения
Изменение диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков с температурой имеет не только большое практическое, но и теоретическое значение, так как тесно связано со структурой и составом вещества. Значения действительной части диэлектрической проницаемости рассчитывались, исходя из толщины сегнетоэлектрической пленки d, площади
контакта S по формуле для плоского конденсатора г' = , рассчитанной по измеренным
значениям емкости C.
На рис. 1 представлены температурные зависимости действительной части диэлектрической проницаемости s'(T) сегнетоэлектрических пленок Ba0.sSr0.2TiO3 при различных значениях частоты. Температурные зависимости действительной s'(T) и мнимой частей диэлектрической проницаемости s''(T) идентичны. Характерным является то, что до определенной температуры е' и г" остаются практически постоянными, а при дальнейшем увеличении температуры обе проницаемости резко растут. Из рисунка видно, что с увеличением частоты температура, соответствующая резкому росту е', смещается в сторону высоких температур. В изученных сегнетоэлектрических пленок Ba0.sSr0.2TiO3 в основном наблюдается термически активируемый рост е'. Это можно объяснить следующим образом.
Известно, что в случае параллельного соединения Ск и И действительной части диэлектрической проницаемости описывается соотношением [10]
*'=—Ч (!)
где о — электропроводность, 1д8 — тангенс угла диэлектрических потерь, ш = 2п/ — циклическая частота, е0 — электрическая постоянная.
РиС, !■ Температурные зависимости диэлектрическом проницаемости пленок BttuxSnnTtO;. ни частотах/, Гц
3-1 С; 4-10s; 5-1&
В полупроводниках и диэлектриках с ростом температуры электропроводность увеличивается в основном за счет концентрации носителей. Из (1) видно, что действительной части диэлектрической проницаемости прямо пропорциональна электропроводность и 1д8 слабо зависит от температуры. В сегнетоэлектрических пленок Bao.8Sro.2TiOз с ростом температуры о растет [10] и соответственно возрастает е'. Твёрдые диэлектрики ионной структуры с плотной упаковкой обладают электронной и ионной поляризацией одновременно. С ростом температуры наряду с уменьшением плотности вещества наблюдается возрастание поляризуемости ионов вследствие ослабления упругих связей между ними при тепловом расширении. В результате этого и под действием электрического поля смещение ионов усиливается, и диэлектрическая проницаемость растёт.
Анализ полученных данных показывает, что экспериментальные кривые е'ш(Т) = /(Г) и £ш(Т) = Г(Т) могут быть описаны следующими выражениями:
ае'
£ы(Т) = а'(ш)е~кт (2)
ае''
е"(Т) = а"(ш)е-иг (3)
В (2) и (3) АЕ' и АЕ'' —энергетические характеристики поляризации в постоянном и переменном электрических полях, так как по физическому смыслу е'— обычная электрическая проницаемость, а г" — диэлектрическая проницаемость, связанная с диэлектрической потерей (г" <х 1д8). Согласно (2) и (3), экспериментальные данные по е' и г" в координатах 1д(г'ш) = /(1) и ^(е^) = /(~) должны ложиться на прямые, тангенсы угла которых будут характеризовать АЕ' и АЕ''соответственно. Предэкспоненциальные
коэффициенты в (2) и (3) можно определет как отрезки, отсекаемые от оси ординат 1д(£ш) при 1^0.
На рис. 2 приведены температурные зависимости действительной части диэлектрической проницаемости (е' ) сегнетоэлектрических пленок Bao.8Sro.2TiOз при
103
различных значениях частоты в координатах 1д(в'ш) —— Экспериментальная зависимость 103
——показывают, что линейная зависимость в целом наблюдается. С ростом частоты
наклон линейного участка увеличивается. Идентичная зависимость наблюдается и для мнимой
103
частей диэлектрической проницаемости 1д (г^) ——. Тот факт, что логарифм
диэлектрической проницаемости линейно зависит от обратной температуры, дает основание говорить о том, что поляризационный процесс имеет активационный характер [5]. Определены энергии активации действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости.
Исследования показывают, что энергия активации процесса поляризации в некоторой степени зависит от частоты приложенного поля и изменяется в интервале 0.041-0.109 эВ. По мере увеличения частоты приложенного переменного электрического поля энергия активации увеличивается.
Частотная зависимость диэлектрической проницаемости обусловлена инерционностью процессов поляризации. Исследования частотные зависимости действительной части диэлектрической проницаемости £'(/) сегнетоэлектрических пленок Ba0.8Sr0.2TiO3 при различных температурах показывают, что £'(/) имеет место сильная частотная дисперсия. Характер изменения е' с частотой свидетельствует о релаксационной дисперсии диэлектрической проницаемости в сегнетоэлектрических пленок Ba0.8Sr0.2TiO3. При комнатной температуре с ростом частоты в интевале 25 — 106 Гц в' уменьшается от 430 до 20. Наиболее крутой спад в' наблюдался при сравнительно низких частотах (25-104 Гц).
В диапазоне частот 104 — 106Гц величина е' слабо зависит от частоты. По мере увеличения температуры частотная дисперсия в' усиливалась, и для температуры Т=180 °С наблюдалась очень сильная зависимость в' от частоты. Наименьшее значение е' = 20,
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
измеренное на высокой частоте (106 Гц ) можно считать оптической диэлектрической проницаемостью £œ.
На рис. 3 приведены зависимости мнимой части диэлектрической проницаемости от частоты для сегнетоэлектрических пленок Ba0.8Sr0.2TiO3 при различных температурах. Видно, что в частотном интервале 50-10 кГц мнимая часть диэлектрической проницаемости с ростом частоты уменьшается быстрее, чем в частотном интервале 104 — 106 Гц.
Несмотря на приближенность уравнения Дебая, исходя из этого можно оценить величину времени релаксации т. Действительно, после простых преобразований из (2) и (3) имеем:
' -
т ш
(4)
Экспериментальная зависимость приведенная на рис. 4, показывает, что
такая прямолинейная зависимость имеет место. Из указанной зависимости определены и т. Оказалось, что в комнатном температуре = 18 и т = 1,24 • 10-5 сек. С нагреванием образца наблюдается тенденция увеличение статистической диэлектрической проницаемости, и уменьшение время релаксации.
Зная время релаксации, можно предполагать о механизме поляризации исследованных пленок Bao.8Sro.2TiÜ3. Известно, что время релаксации дипольной тепловой поляризации экспоненциально зависит от температуры, уменьшаясь при нагревании диэлектрика [12]. При нормальных условиях для различных диэлектриков, обладающих такой поляризацией, время релаксации обычно составляет 10-4 — 10-10 с. Это означает, что дисперсионная частота для тепловой поляризации лежит в диапазоне радиочастот. При тепловом характере поляризации индуцированный внешним полем дипольный момент определяется не только напряженностью электрического поля, но и интенсивностью теплового движения частиц, участвующих в поляризации.
В диапазоне радиочастот проявляется инерционность различных механизмов поляризации, обусловленной тепловым движением — электронной, ионной и дипольной тепловой поляризации. Известно, что время релаксации электронной поляризации, обусловленной тепловым движением, обычно составляет 10-2 - 10-7 сек. В сегнетоэлектрических пленок Bao.8Sro.2TiÜ3 при поляризации время релаксации равно 1,24 • 10-5 сек. Это соответствует электронной поляризации, обусловленной тепловым движением.
Электронная термическая поляризация характерна для твердых диэлектриков, обладающих большим количеством структурных и примесных дефектов [13]. Электроны, захваченные дефектами, создают неравномерности в распределении заряда в кристаллической решетке. Поскольку они легче возбуждаются при нагревании, чем электроны, находящиеся в валентной зоне диэлектрика, то именно свободные электроны от ловушечных центров скорее перераспределяются среди дефектных или примесных центрах в приложенном электрическом поле.
Таким образом, исследованы частотные и температурные зависимости диэлектрических потерь и мнимая часть диэлектрической проницаемости в сегнетоэлектрических пленок Ba0.8Sr0.2TiO3 в переменном электрическом поле. Определены величины, характеризующие температурные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости. В сегнетоэлектрических пленок Ba0.8Sr0.2TiO3 рассчитано время релаксации и установлено, что в этом материале имеется механизм электронной поляризации, обусловленной тепловым движением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wu L., Chen Y. C., Chen L. J., Ping Chou I., Tsai Y. T., Preparation and Microwave Characterization of BaxSn_xTiO3 Ceramics // Jap. J. Appl. Phys. 38 (1999) 5612.
2. Liedtke R., Hoffmann S., Waser R., Recrystallization of Oxygen Ion Implanted Bao.7Sro.3TiO3 Thin Films // J. Am. Ceram. Soc. 83 (2000) 436.
3. Мухортов Вас.М., Масычев С.И., Головко Ю.И., Чуб А.В., Мухортов В.М. Применение наноразмерных пленок титаната бария-стронция для перестраиваемых сверхвысокочастотных устройств //Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 10, с. 106-109.
4. Shah S. I. H., Sarkar A., Phon R., Lim S. Two-DimensionalElectromechanically Transformable Metasurface with Beam Scanning Capability Using Four Independently Controllable Shape Memory Alloy Axes // Adv. Optical Mater. 2020, 2001180
5. Djoumessi E. E., Oh J., Delprat S., Mohammed C., Wu K. Thin-film barium strontium titanate varactor tunable dual-band quadrature hybrid coupler. Microwave and Optical Technology Letters, (2012). 54(4), 858-867.
6. Tombak A., Ayguavives F. T., Maria J.-P., et al Tunable RF filters using thin film barium strontium titanate based capacitors / 2001 IEEE MTT-S International Microwave Sympsoium Digest (Cat. No.01CH37157).
7. Khassaf H., Khakpash N., Sun F. et al Strain engineered barium strontium titanate for tunable thin film resonators. Applied Physics Letters, (2014). 104(20), 202902.
8. Liu C., Zhang Q., Wang D., et al High Performance, Biocompatible Dielectric Thin-Film Optical Filters Integrated with Flexible Substrates and Microscale Optoelectronic Devices. Advanced Optical Materials, (2018). 6(15), 1800146.
9. Афанасьев М.С., Гольдман Е.И., Чучева Г.В., Набиев А.Э., Гусейнов Дж.И., Алиев Н.Ш. Электропроводность структур металл-диэлектрик-полупродник на основе сегнетоэлектрических пленок // Физика твердого тела, 2020, том 62, вып. 1, с. 121-124.
10. Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков М.: Высшая школа, 1977. 448 с
11. Поплавко Ю.М. Физика диэлектриков М., Высш. шк., 1980, 400 с.
