СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................... 5
ГЛАВА 1.
МОДЕЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СБГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)............................................. 12
1.1. Предпосылки использования объёмных, тонкопленочных сегнетоэлектриков и наноструктурированных композитов на их основе
в СВЧ технике и электронике................................ 12
1.2. Феноменологическое описание диэлектрического отклика сегиетоэлсктрика....................................... 15
1.3. Фактор коммутационного качества, тангенс угла диэлектрических потерь и управляемость................. 19
1.4. Расчёт ёмкости слоистого планарного конденсатора, содержащего тонкий сегиетоэлектричсский слой....................... 20
1.5. Размерный эффект в ссгнетоэлектрических плёнках. «Мёртвый слой» и его диэлектрические свойства................... 23
1.6. Моделирование диэлектрических свойств композитных
материалов................................................. 37
Постановка задач диссертационного исследования............. 45
ГЛАВА 2.
РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ В НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ
СЕ1 НЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЁНКАХ.................................. 47
2.1. Модель корреляции сегнетоэлектрической поляризации, граничные условия и формирование «мёртвого слоя»....... 47
2.2. Эффективная диэлектрическая проницаемость наноструктурированпой пленки с ссгнетоэлектрическими гранулами сферической формы...................................... 55
2.3. Эффективная диэлектрическая проницаемость наноструктурированной пленки с сегнетоэлсктрическими гранулами эллипсоидальной формы.................................... 59
2.4. Влияние формы и размеров гранул и толщины «мёртвого слоя» на диэлектрические свойства сегиетоэлектрической
наноструктурированной пленки................................. 65
2.5. Определение зависимости между формой и размерами гранул и
параметрами технологического процесса........................ 69
Выводы....................................................... 74
ГЛАВА 3.
НЕЛИНЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СРЕДЫ С ЭЛЛИПСОИДАЛЬНЫМИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ НАПОВКЛЮЧЕНИЯМИ............................ 75
3.1. Моделирование и расчет диэлектрических свойств нанокомпозита с эллипсоидальными сегнетоэлектрическими включениями при учёте влияния «мёртвого слоя»...................................... 76
3.2. Расчет управляемости, тангенса угла диэлектрических потерь и фактора коммутационного качества нанокомпозита с эллипсоидальными
сегнетоэлектрическими включениями............................ 84
Выводы....................................................... 87
ГЛАВА 4.
УЧЁТ НЕЛИНЕЙНОСТИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ....................................................... 88
4.1. Учет нелинейности сегнетоэлектрического материала в модели нанокомпозита со сферическими сегнетоэлектрическими включениями.............................................. 88
4.2. Моделирование нелинейных свойств нанокомпозита с сегнетоэлектрическими включениями в форме диска.......... 95
4.3. Планарный конденсатор на основе нанокомпозита с дисковыми сегнетоэлектрическими включениями....................... 101
4
Выводы........................................... 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................... 108
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА............................. 112
СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ............. 120
ВВЕДЕНИЕ
Нарастающая тенденция к миниатюризации СВЧ устройств ставит задачу повышения качества существующих материалов и получения новых материалов на их основе с новыми свойствами.
Например, одним из путей повышения плотности записи информации в матрице сегнетоэлектрической памяти (БеИАМ) является уменьшение толщины ссгнстоэлсктрической плёнки до наноразмерного масштаба. При этом изменяются свойства самой сегнетоэлектрической пленки.
В настоящее время большой интерес вызывают исследования физических свойств систем пониженной размерности: тонких пленок, нитей, малых частиц. К таким системам относятся и матрицы с включениями нанометрово-го диапазона. Физические характеристики таких материалов определяются размерами включений, их геометрией и степенью заполнения матрицы.
Большой интерес к исследованию свойств сложных композитных соединений в последнее время связан не только с тем, что такие структуры имеют аномальные свойства по сравнению с «обычными», однородными по составу веществами. Другой причиной является то, что подобные соединения могут оказаться значительно более дешевыми, чем однородные структуры, при условии, что композит по ряду физических показателей и в диапазоне заданных параметров (температуры, частоты приложенного поля и т.д.) идентичен однородным веществам. В последние годы в ведущих лабораториях мира интенсивно проводятся исследования физических свойств небольших частиц металлов и полупроводников, введенных в нанопустоты или наноканалы пористых диэлектрических матриц: цеолитов, опалов, асбестов и пористых стекол. Целью таких исследований является изучение фундаментальных свойств микро- и наночастиц для возможного использования их в современной технике и наноэлектронике. Создание композитных материалов или
метаматериалов на основе сегнетоэлектриков, представляющих из себя матрицу с включениями различной формы, также является одним из приоритетных направлений научных исследований последнего десятилетия.
Нелинейные свойства сегнетоэлектрических материалов, а также их эксплуатационно-стоимостные параметры, давно обеспечили им свою нишу при производстве управляющих СВЧ устройств. Так СВЧ устройства на основе сегнетоэлектриков могут быть использованы в широком диапазоне значений уровня мощности, могут обеспечить высокое быстродействие при малом энергопотреблении в цепях управления. Сегнетоэлектрики обладают большей, чем полупроводники, электрической и радиационной стойкостью, и значительно более экономичны по энергопотреблению, чем ферриты. Немаловажными факторами также являются относительно невысокая стоимость производства и простота технологии изготовления сегнетоэлектрических компонентов СВЧ устройств.
Однако применение сегнетоэлектрических компонентов ограничено рядом известных факторов, таких как диэлектрические потери на сверхвысоких частотах, трудности согласования среды с большой диэлектрической проницаемостью (которой является сегнетоэлектрик) с СВЧ цепями, отсутствие отлаженного технологического процесса получения тонких сегнетоэлектрических плёнок.
Проблема создания материалов с малой диэлектрической проницаемостью при приемлемых значениях управляемости и диэлектрических потерь может быть успешно решена путём использования наноструктурированных сегнетоэлектрических композитов. Особенное место занимают диэлектрик-сегнегоэлектрические структуры. Наиболее часто в литературе встречается описание сегнетоэлектрических сред с диэлектрическими включениями различной формы. Свойства диэлектрических матриц с сегнетоэлектрическими включениями исследованы сравнительно мало. Считается, что такие структуры будут обладать слабовыражеиными нелинейными свойствами. Однако
7
ни в одной из существующих моделей свойств сегнетоэлектрических композитов так и не была учтена нелинейность материала сегнетоэлектрических включений.
Простейшим вариантом диэлекфик-сегнетоэлектрического композита является наногранулированная сегнетоэлектрическая плёнка. Наногранули-рованпая плёнка представляет собой совокупность гранул сегнетоэлектриче-ского материала, имеющих размеры порядка десятков нанометров. Однако необычные электрические свойства гранулированных (нанокристаллических) плёнок обусловлены не только малыми размерами гранул, но и наличием на поверхности каждой гранулы тонкого «мёртвого слоя», в котором отсутствует сегнетоэлектрическая поляризация. Толщина «мёртвого слоя» составляет приблизительно 2 нм, а диэлектрическая проницаемость около 40.
Когда размеры гранул становятся меньше некоторой критической величины, свойства материала существенно изменяются (размерный эффект). В связи с этим большой интерес представляет определение зависимости диэлектрической проницаемости пленки ссгнетоэлектрика от размера гранулы и толщины «мёртвого слоя».
Таким образом, применение наноструктурированных сегнетоэлектрических композитов в различных СВЧ-устройствах требует разработки их моделей, которые могут быть использованы как в качестве основы для САПР СВЧ-устройств на основе ссгнетоэлектрика, так и при обработке результатов эксперимента с целыо исследования свойств рассматриваемых образцов и анализа различных технологических способов получения тонких пленок сег-нетоэлектриков.
Целью работы является:
• изучение и моделирование диэлектрических свойств сегнетоэлск-трических наногранулированных плёнок и наноструктурированных композитов с включениями сферической/эллипсоидальной/ дисковой формы, применяемых в СВЧ диапазоне
8
• исследование влияния формы и размера ссгнстоэлсктрических гранул на диэлектрические свойства наноструктурированных композитов (размерный эффект) при учете эффекта «замораживания» динамической поляризации на границе раздела между сегнетоэлектри-ческими гранулами
• исследование нелинейных свойств рассматриваемых композитов по сравнению с объёмными сегнетоэлектрическими материалами.
Научная новизна
• На основе модели «мёртвого слоя» установлена связь толщины и диэлектрической проницаемости этого слоя с параметрами корреляционной модели.
• Определена зависимость эффективной диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической наногранулированной пленки, содержащей гранулы сферической или эллипсоидальной формы, от размеров гранул и толщины «мёртвого слоя».
• Определена зависимость эффективной диэлектрической проницаемости наноструктурированного композита с эллипсоидальными сегнетоэлектрическими включениями от размеров включений, толщины «мёртвого слоя» и обратного фактора заполнения.
• Рассчитаны эффективная диэлектрическая проницаемость, управляемость, тангенс угла диэлектрических потерь и фактор коммутационного качества наноструктурированных композитов с эллипсоидальными, сферическими и дисковыми включениями.
• Предложен вариант применения нанокомпозита с дисковыми включениями в составе сегнетоэлектрического планарного конденсатора, показывающий перспективность использования нанострук-турйрованных композитов при разработке СВЧ устройств со сниженными диэлектрическими потерями.
9
Научная и практическая ценность
Разработаны оригинальные модели, описывающие диэлектрические свойства наноструктурированных сегнетоэлектрических композитов и плёнок, которые применимы при разработке и конструировании приборов, обладающих нелинейными свойствами.
Полученные зависимости эффективной диэлектрической проницаемости наногранулированной плёнки/нанокомпозита от размера гранулы полезны при анализе различных способов получения тонких плёнок/композитов, для оценки и оптимизации параметров технологических процессов с целью получения материалов с заданными характеристиками.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения. Она изложена на 123 страницах машинописного текста, включает 64 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 73 наименований.
Первая глава имеет обзорный характер. В ней излагаются опубликованные результаты по модельному представлению диэлектрических свойств сегнетоэлектрических материалов, на основании которых формулируются задачи исследования, проводимого в диссертационной работе.
Во второй главе количественно описывается явление размерного эффекта в наноструктурированных сегнетоэлектрических плёнках.
Третья глава посвящена оценке нелинейных свойств нанокомпозита с сегнетоэлектрическими эллипсоидальными включениями.
В четвёртой главе проводятся моделирование и расчёт диэлектрических свойств нанокомпозита с сегнетоэлектрическими включениями в форме диска и сферы.
В Заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации.
10
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. «Мертвый слой», введённый на границе раздела между сегнстоэлек-трическими гранулами, учитывает эффект «замораживания» динамической поляризации.
2. Эффективная диэлектрическая проницаемость наноструктурирован-ных плёнки и композита, содержащих сегнетоэлектрические гранулы эллипсоидальной формы, падает с уменьшением отношения длин большой и малой полуосей эллипсоида.
3. Наноструктурированиые композиты с сегнетоэлектрическими (типа перовскита) включениями сферической или дисковой формы проявляют нелинейные свойства только при напряжённости внешнего элекгрического поля более 40 В/м км, когда диэлектрическая проницаемость сегнетоэлекгрика становится равной или меньше проницаемости матрицы.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на:
1. Научно-технический семинар «Современные проблемы техники и элек-
троники СВЧ», 18 апреля 2006г., Санкт-Петербург
2. Научно-технический семинар «Современные проблемы техники и элек-
троники СВЧ», 26 января 2007г., Санкт-Петербург
3. 60-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского
состава, 30 января-7 февраля 2007г., Санкт-Петербург
4. 14th International Student Seminar on Microwave and Optical Applications of
Novel Physical Phenomena, 23-24 August 2007, Belfast, Northern Ireland,
United Kingdom
5. Metamaterials Congress 2007, 22-24 October 2007, Rome, Italy
6. 15Ul International Student Seminar on Microwave and Optical Applications of
Novel Physical Phenomena, 19-21 May 2008, Saint-Petersburg, Russia
- Киев+380960830922