Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИФЕРРОИДНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ФЕРРИТОВ И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ

Семенов А.А. 1 Дедык А.И. 1 Белявский П.Ю. 1 Устинов А.Б. 1 Никитин А.А. 1 Мыльников И.Л. 1 Иванов М.С. 2 Фирсова Н.Ю. 2 Фетисов Л.Ю. 2 Кудрявцев А.В. 2
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
2 ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»
В статье описываются результаты исследований диэлектрических магнитных и структурных свойств пленок с мультиферроидными свойствами. В работе исследованы два способа формирования мультиферроидных сред – на основе многослойных структур, содержащих пленки сегнетоэлектриков и ферромагнетиков, а также введением в сегнетоэлектрик магнитных элементов в концентрациях, достаточных для возникновения у последнего магнитных свойств. Наиболее перспективными материалами для создания многослойных структур феррит – сегнетоэлектрик являются сегнетоэлектрики на основе перовскитов, в частности твердые растворы титаната бария-стронция BaxSr1-xTiO3 (BSTO), а также ферриты из железоиттриевого граната Y3Fe5O12 (YIG) и галлий-гадолиниевого граната (GGG). В статье экспериментально показано, что связь между электрической и магнитной подсистемами (магнитоэлектрический эффект) дает возможность изменять диэлектрические свойства с помощью магнитного поля для слоистых структур Cu-Cr/BSTO/YIG/GGG.
сегнетоэлектрик
феррит
мультиферроик
многослойные структуры
1. Ненашева Е.А., Канарейкин А.Д., Дедык А.И., Павлова Ю.В. // ФТТ. – 2009. – Т. 51. – Вып. 8. – С. 1468–1471.
2. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / под ред. О.Г. Вендика. – М. : Сов. радио, 1979.
3. Смоленский Г.А. [и др.] Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. – Л. : Наука, 1971. – 476 с.
4. Ozgur U., Alivov Ya., Morkoc H. // J. Mater Sci Mater Electron. – 2009. – Vol. 20. – P. 911-916.
5. Semenov A.A., Karmanenko S.F., Demidov V.E., et all. // Appl. Phys. Lett. – 2006. – Vol. 88. – P. 033503.
6. Srinivasan G., Dong S., Viehland D., Bichurin M., Nan C. // J. Appl. Phys. – 2008. – Vol. 103. – P. 031101-031101-35.

Введение

В современной микроэлектронике большой практический интерес представляют мультиферроики. Связь между электрической и магнитной подсистемами дает возможность управлять их магнитными свойствами электрическим полем и, наоборот, изменять их электрические свойства в магнитном поле.

Ферромагнетики, сегнетоэлектрики и сегнетоэластики, несмотря на разную природу происходящих в них структурных фазовых переходов, демонстрируют целый ряд сходных свойств: возникновение доменов, аномалии физических свойств в окрестности перехода, наличие гистерезисов. Если в веществе сосуществуют хотя бы два из трех параметров порядка: магнитного, электрического или деформационного, то его называют мультиферроиком. Эти материалы проявляют свойства, характерные как для магнетиков, так и для сегнетоэлектриков в отдельности – спонтанную намагниченность, магнитострикцию, спонтанную поляризацию и пьезоэлектрический эффект, так и совершенно новые свойства, связанные с взаимодействием магнитной и электрической подсистем [4].

При этом сама структура феррит – сегнетоэлектрик может быть реализована либо в виде слоев феррита и сегнетоэлектрика [6], либо в виде гетерофазной системы сегнетоэлектрика, перемешанного с магнитными ионами [3]. Наибольшие значения МЭ эффект достигает в гетероструктурах, созданных на основе материалов, обладающих большими значениями магнитострикционного и пьезоэлектрического коэффициентов. С точки зрения применения гетероструктур феррит – сегнетоэлектрик для создания СВЧ-устройств в качестве феррита наиболее перспективны монокристаллы железо-иттриевого граната как имеющие минимальные магнитные потери на СВЧ. Большинство исследований сосредоточено на изучении сочетания кристалла ЖИГ с различными типами сегнетоэлектрических слоев.

Подготовка образцов и методика эксперимента

Наиболее перспективными материалами для создания многослойных структур феррит – сегнетоэлектрик являются сегнетоэлектрики на основе перовскитов, в частности твердые растворы титаната бария-стронция BaxSr1-xTiO3 (BSTO), а также ферриты из железоиттриевого граната Y3Fe5O12 (YIG) и галлий-гадолиниевого граната (GGG).

В ходе работы были получены многослойные пленочные структуры, Cu-Cr/BSTO/YIG/GGG. Для исследований влияния подложки на свойства всей структуры использовались различные подложки: гадолиний-галлиевый гранат (GGG), сапфир (a-l2O3), алюминат лантана (LAO) , поликор. Толщина подложек составляла 300–500 µm. Пленки BSTO (Ba0,5Sr0,5TiO3) наносились методом ВЧ магнетронного распыления [5] и имели толщину h = 0,5–1,5 mm. Пленки YIG (Y3Fe5O12) толщиной 5–8 mm получены с помощью жидкофазной эпитаксии. В качестве электродов использовались медь с подслоем хрома Cu-Cr.

После изготовления структур на них с помощью жидкостной фотолитографии были сформированы планарные конденсаторы (рис. 1). Ширина зазора планарных конденсаторов составляла d = 0,3–0,7 µm, длина зазоров l = 250–850 µm.

Измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ), диэлектрических потерь (tgδ), температурных зависимостей емкости и диэлектрических потерь проводились на частоте 1 MHz, т.к. известно, что для твердых растворов BSTО не наблюдается дисперсия диэлектрической проницаемости (ε) в диапазоне частот f = (102 – 1012) Hz. Кроме того, нами проводились частотные измерения диэлектрической проницаемости и добротности исследуемых керамических образцов [1] в диапазоне (103 – 5·1010) Hz, которые подтвердили отсутствие частотной дисперсии ε и обнаружили очень незначительное увеличение тангенса угла диэлектрических потерь в указанном диапазоне частот. В качестве измерителя полного импеданса образцов на частоте 1 MHz использовался автоматический цифровой мост Е7-12. Диэлектрическая проницаемость рассчитывалась по емкости планарной структуры [2], относительная погрешность определения диэлектрической проницаемости была не более 0,2%. Температурные зависимости емкости измерялись в диапазоне Т = (77 – 300) К.

Экспериментальные результаты

Результаты исследований, полученных с помощью рентгеновского дифракционного анализа (РДА) и исследования диэлектрических характеристик СЭ пленок BST, выращенных на LAO, a - Al2O3, поликоре и YIG, позволили определить влияние подложки на структурные и диэлектрические свойства пленок (табл. 1).

Сравнение данных РДА позволяет сделать следующие выводы относительно влияния подложки на диэлектрические характеристики пленок BSTO. Относительные деформации пленок BSTO, выращенных на подложках из LAO, составляют x = (4,2 – 6,2)*10-3 и являются деформациями растяжения. Для пленок BSTO, выращенных на подложках a-Al2O3, наблюдаются деформации сжатия и по оценкам составляют x = - (3,1 – 4.2)*10-3. Для большинства пленок BSTO, выращенных на подложках из поликора, деформации либо отсутствуют, либо в 20–30 раз по абсолютной величине меньше, чем для подложек a- Al2O3. В пленках BSTO, выращенных на слоистой структуре YIG/GGG, деформации также невелики, как и в пленках на основе поликора, но являются слабыми деформациями сжатия.

Таблица 1

 

Номер образца

1

2

3

4

5

Подложка

LAO

a

поликор

YIG

поликор

Толщина пленки h, µm

0.950

0.75

0.4

0.4

0,9

Структура

[100]

[100]

[100]

[100]

[101]

Соотношение Ba/Sr, x

0,55

0.55

0.6

0.6

0.77

Постоянная решетки a, Å

3.982

3.954

3.966

3.962

3.981

Температура максимума, Tm, K

220

280

260

265

-

e (300K, 0 V)

2200

1545

820

1910

1575*

tgd(300K, 0 V)

0.005

0.011

0.009

0.017

0.018*

Коэффициент управляемости n (300 К, 30 V/ µm)

1.4

2.1

1.74

1.43

1.6

* Относительная диэлектрическая проницаемость BSTO (e) и тангенс угла диэлектрических потерь (tgd) для данного образца измерены на частоте f = 29,7 GHz.

Для некоторых из рассмотренных в таблице 1 образцов на рис. 2 приведены температурные зависимости емкости структур C(T), выращенных на различных подложках. Отличие значений емкости образцов по абсолютной величине связаны с различной геометрией исследованных планарных конденсаторов. Основным является то, что в зависимости от знака и величины относительных деформаций изменяется направление смещения максимума (Tm) температурной зависимости емкости. Так, температура максимума образца (3) с подложкой из поликора, в которой практически отсутствуют напряжения, соответствует Tm = 260 К (кривая 1). Для образцов, в которых наблюдались растягивающие напряжения – BSTO/LAO – Tm смещалась в сторону более низких температур на 20–40 К (кривая 2, обр. 1). Для образцов с напряжениями сжатия – BSTO/a-Al2O3 – температура максимума смещалась в область более высоких Tm на 10–20 К (кривая 3, обр. 2). Положение температурного максимума зависимости С(Т) для многослойной структуры BSTO/YIG/GGG составляло Tm= 265 К (кривая 4), было близко к практически ненапряженной структуре BSTO/поликор.

Особенности процесса формирования пленки на интерфейсе пленка-подложка можно проследить на основе анализа спектров XPS многослойной структуры BST/YIG/GGG. Было установлено, что поверхностный слой пленки BSTO толщиной ~ 0,035 µm (при толщине всей пленки 0,4 µm) является восстановленным, начиная с этой толщины распределение всех основных компонентов пленки однородно. Из компонентов пленки YIG в пленке BST обнаруживаются лишь следы Y. Область интерфейса на границе BSTO/YIG составляет ~ 0,1 µm (при толщине пленки YIG 8 µm). В работе также проводилось исследование параметра магнитной диссипации DH. В результате был подтвержден факт, что пленка BSTO не оказывает заметного влияния на свойства пленки YIG.

Для исследования магнитодиэлектрического эффекта в многослойных структурах Cu-Cr/BSTO/YIG/GGG измерения ВФХ проводились в магнитном поле с напряженностью до 1570 Э. На рис. 3 приведены ВФХ конденсаторов в отсутствии магнитного поля (сплошная линия) и в поле 1570 Э (пунктирная линия).

Приложение магнитного поля приводит к уменьшению емкости конденсаторов, что можно объяснить изменением механических напряжений в пленке BSTO за счет магнитоэлектрического эффекта. Исследование температурных зависимостей емкости показало, что во внешнем магнитном поле температура максимума сдвигается в сторону низких температур. Это соответствует возникновению растягивающих напряжений.

Выводы

Таким образом, экспериментально показано, что связь между электрической и магнитной подсистемами (магнитоэлектрический эффект) дает возможность изменять диэлектрические свойства с помощью магнитного поля для слоистых структур Cu-Cr/BSTO/YIG/GGG.

Показано также влияние растягивающих и сжимающих напряжений со стороны подложки и пленки феррита на диэлектрические характеристики многослойных структур.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки России Федеральными программами «Научные и педагогические кадры инновационной России» и «Развитие потенциала высшей школы».

Авторы выражают благодарность Анохиной Т.И. за подготовку образцов для исследований.

Рецензенты:

Баранов И.В., д.т.н., профессор, заместитель директора Института холода и биотехнологий ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», зав. кафедрой «Физика ИХиБТ», г. Санкт-Петербург.

Головков А.А., д.т.н., профессор кафедры «Радиоэлектронные средства» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), г. Санкт-Петербург.


Библиографическая ссылка

Семенов А.А., Дедык А.И., Белявский П.Ю., Устинов А.Б., Никитин А.А., Мыльников И.Л., Иванов М.С., Фирсова Н.Ю., Фетисов Л.Ю., Кудрявцев А.В. ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИФЕРРОИДНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ФЕРРИТОВ И СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8143 (дата обращения: 12.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074