izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2025-4-14-20izmertech-2369Research ArticleОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИGENERAL PROBLEMS OF METROLOGY AND MEASUREMENT TECHNIQUESСпособ определения в широком диапазоне температур диэлектрических и сегнетоэлектрических характеристик тонкой плёнки релаксорного сегнетоэлектрика SBN60 на полупроводниковой подложкеInvestigations on the dielectric and ferroelectric characteristics of SBN60 ferroelectric-relaxor thin films on semiconductor substrates in a wide temperature rangehttps://orcid.org/0009-0007-6748-3026МакинянН. В.MakinyanN. V.

Норайр Валерикович Макинян

Ростов-на-Дону

Norayr V. Makinyan 

Rostov-on-Don 

norair.makinyan@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8066-4955ПавленкоА. В.PavlenkoA. V.

Анатолий Владимирович Павленко

Ростов-на-Дону

Anatoly V. Pavlenko 

Rostov-on-Don 

tolik_260686@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8435-4356ПоповП. В.PopovP. V.

Петр Васильевич Попов

Москва

Petr V. Popov  

Moscow

PetVP@rostest.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2214-0616БобылевВ. А.BobylevV. A.

Вячеслав Александрович Бобылев

Ростов-на-Дону

Vyacheslav A. Bobylev 

Rostov-on-Don 

bobylev@sfedu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1725-5635МатяшЯ. Ю.MatyashYa. Yu.

Яна Юрьевна Матяш

Ростов-на-Дону

Yana Yu. Matyash 

Rostov-on-Don 

matyash.ya.yu@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5597-3801СтрюковД. В.StryukovD. V.

Даниил Валерьевич Стрюков

Ростов-на-Дону

Daniil V. Stryukov 

Rostov-on-Don 

6strdl@mail.ruЮжный научный центр Российской академии наукРоссияSouthern Scientific Center of the Russian Academy of SciencesRussian FederationЮжный научный центр Российской академии наук ; Южный федеральный университетРоссияSouthern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences ; Southern Federal UniversityRussian FederationНаучно-исследовательский центр прикладной метрологии – РостестРоссияResearch Center for Applied Metrology – RostestRussian FederationЮжный федеральный университетРоссияSouthern Federal UniversityRussian Federation2025040920257441420Copyright © Макинян Н.В., Павленко А.В., Попов П.В., Бобылев В.А., Матяш Я.Ю., Стрюков Д.В., 20252025Макинян Н.В., Павленко А.В., Попов П.В., Бобылев В.А., Матяш Я.Ю., Стрюков Д.В.Makinyan N.V., Pavlenko A.V., Popov P.V., Bobylev V.A., Matyash Y.Y., Stryukov D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2369

Описаны перспективы применения бессвинцовых релаксорных сегнетоэлектриков со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы, например ниобата бария-стронция Sr0.6Ba0.4Nb2O (SBN60), в полупроводниковых технологиях при разработке ячеек памяти, пироэлектрических матриц и микроэлектромеханических систем. Методами диэлектрической спектроскопии исследованы диэлектрические характеристики и сегнетоэлектрические свойства тонких (600 нм) плёнок релаксорного сегнетоэлектрика SBN60, а также изучены температуры фазовых превращений в этих плёнках. Тонкая плёнка SBN60 со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы синтезирована на подложке полупроводника Si(001). Для роста плёнок использован метод высокочастотного катодного распыления в атмосфере кислорода. Методом рентгено-дифракционного анализа показано, что плёнки SBN60 являются однофазными, беспримесными и c-ориентированными (параметр элементарной ячейки с=0,3932 нм). По данным атомно-силовой микроскопии рельеф поверхности плёнок однородный, не содержит каверн, пор или иных дефектов поверхности. Разработан способ экспериментального определения диэлектрической проницаемости и степени её дисперсии, который основан на результатах измерения высокочастотных вольт-фарадных зависимостей конденсаторной структуры металл/SBN60/Si(001) при фиксированной температуре из диапазона 83–473 K и позволяет также определить температуры фазовых переходов как из параэлектрической в сегнетоэлектрическую фазу, так и между различными сегнетоэлектрическими фазами. Показано, что температура зарождения полярных нанообластей в анализируемой плёнке составляет 383 K. Освещены перспективы использования данного способа для анализа свойств гетероструктур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник.

Dielectric characteristics, ferroelectric properties, and phase transition temperatures in thin films of ferroelectric-relaxor barium-strontium niobate Sr 0.6Ba0.4Nb2O6 (SBN60) with a tetragonal tungsten bronze structure deposited on a Si(001) semiconductor substrate have been studied by dielectric spectroscopy methods. The films were grown by high-frequency cathode sputtering technique in an oxygen atmosphere. X-ray diffraction analysis has shown that SBN60 films are single-phase, pure and c-oriented (unit cell parameter c = 0.3932 nm), and according to atomic force microscopy, its surface has a uniform relief, does not contain cavities, pores or other surface defects. An approach is proposed which allows determining the permittivity and its dispersion, the temperatures corresponding to interphase transitions. It is based on measuring the high-frequency capacitance-voltage characteristics of the metal/ SBN60/Si(001) capacitor structure at a fixed temperature (in the range 83–473 K). In particular, it is shown that the Burns temperature in the analyzed thin film is 383 K. The applicability of this approach to the metal-ferroelectric-semiconductor heterostructures properties analyses is discussed.

ниобат бария-стронциядиэлектрические характеристикисегнетоэлектрические характеристикирелаксорный сегнетоэлектриктонкие плёнкиполупроводниковая подложкавольт-фарадная зависимостьbarium-strontium niobatedielectric characteristicsferroelectric characteristicsrelaxor ferroelectricthin filmssemiconductor substratescapacitance-voltage characteristicsИсследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания в сфере научной деятельности, грант № FENW-2022-0001. Публикация подготовлена в рамках реализации ГЗ ЮНЦ РАН на 2025 г., № гос. рег. 125011400232-3.Research was supported by the Ministry of Science and Higher education of the Russian Federation in the framework of the state task in the field of scientific activity, grant number FENW-2022-0001. The publication was prepared as part of a government assignment to Southern Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences under project no. 125011400232-3.ReferencesГриценко В. А., Исламов Д. Р. Физика диэлектрических пленок: механизмы транспорта заряда и физические основы приборов памяти. Параллель, Новосибирск (2017). https://www.elibrary.ru/otdnybGritsenko V. A., Islamov D. R. Physics of dielectric films: charge transport mechanisms and physical foundations of memory devices. Parallel, Novosibirsk (2017). (In Russ.) https://www.elibrary.ru/otdnybВоротилов К. А., Сигов А. С. Сегнетоэлектрические запоминающие устройства. Физика твёрдого тела, 54, 843–848 (2012). https://www.elibrary.ru/rcsplbVorotilov K. A., Sigov A. S. Ferroelectric memory. Physics of the Solid State, 54, 894–899 (2012). https://doi.org/10.1134/S1063783412050460Павленко А. В., Зинченко С. П., Стрюков Д. В., Ковтун А. П. Наноразмерные пленки ниобата бария-стронция: особенности получения в плазме высокочастотного разряда, структура и физические свойства. Издательство ЮНЦ РАН, Ростов-на-Дону (2022).Pavlenko A. V., Zinchenko S. P., Stryukov D. V., Kovtun A. P. Nanoscale films of barium-strontium niobate: features of high-frequency discharge plasma production, structure and physical properties. UNC RAN, Rostov-on-Don (2022). (In Russ.)Shvartsman V. V., Lupascu D. C. Lead-Free Relaxor Ferroelectrics. Journal of the American Ceramic Society, 95, 1–26 (2012). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04952.x ; https://www.elibrary.ru/PHYXSHShvartsman V. V., Lupascu D. C. Lead-Free Relaxor Ferroelectrics. Journal of the American Ceramic Society, 95, 1–26 (2012). https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04952.xIvanov S., Kostsov E. G. Uncooled thermally uninsulated array element based on thin strontium barium niobate pyroelectric films. IEEE Sensors Journals, 20, 9011–9017 (2020). https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.2987633 ; https://www.elibrary.ru/vrgepzIvanov S., Kostsov E. G. Uncooled thermally uninsulated array element based on thin strontium barium niobate pyroelectric films. IEEE Sensors Journals, 20, 9011–9017 (2020). https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.2987633Сигов А. С., Мишина Е. Д., Мухортов В. М. Тонкие сегнетоэлектрические пленки: получение и перспективы интеграции. Физика твёрдого тела, 52(4), 709–717 (2010). https://www.elibrary.ru/rcrudpSigov A. S., Mishina E. D., Mukhortov V. M., Thin ferroelectric films: preparation and prospects of integration. Physics of the Solid State, 52(4), 762–770 (2010). https://doi.org/10.1134/S1063783410040153 ; https://www.elibrary.ru/mxhbuvMulaosmanovic H., Breyer E. T, Dünkel S. et al. Ferroelectric field-effect transistors based on HfO2: a review. Nanotechnology, 32, 502002 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac189f ; https://www.elibrary.ru/vnzvfhMulaosmanovic H., Breyer E. T, Dünkel S. et al. Ferroelectric field-effect transistors based on HfO2: a review. Nanotechnology, 32, 502002 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac189fYoon I., Chang M., Ni K. et al. A FerroFET-based in-memory processor for solving distributed and iterative optimizations via least-squares method. IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits, 5, 132–141 (2019). https://doi.org/10.1109/JXCDC.2019.2930222Yoon I., Chang M., Ni K. et al. A FerroFET-based in-memory processor for solving distributed and iterative optimizations via least-squares method. IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits, 5, 132–141 (2019). https://doi.org/10.1109/JXCDC.2019.2930222Павленко А. В., Ильина Т. С., Киселев Д. А., Стрюков Д. В. Фазовый состав, кристаллическая структура, диэлектрические и сегнетоэлектрические свойства тонких плёнок Ba2NdFeNb4O15, выращенных на подложке Si(001) в атмосфере кислорода. Физика твёрдого тела, 65(4), 587–593 (2023). https://doi.org/10.21883/FTT.2023.04.55295.13 ; https://www.elibrary.ru/euobtyPavlenko A. V., Ilyina T. S., Kiselev D. A., Stryukov D. V. Phase composition, crystal structure, dielectric and ferroelectric properties of Ba2NdFeNb4O15 thin films grown on a Si(001) substrate in an oxygen atmosphere. Physics of the Solid State, 65(4), 572 (2023). http://dx.doi.org/10.21883/PSS.2023.04.55997.13Zhang J. J., Sun J., Zheng X. J. A model for the C-V characteristics of the metal-ferroelectric-insulator-semiconductor structure. Solid-state electronics, 53, 170–175 (2009). https://doi.org/10.1016/j.sse.2008.10.012 ; https://www.elibrary.ru/kplmmtZhang J. J., Sun J., Zheng X. J. A model for the C-V characteristics of the metal-ferroelectric-insulator-semiconductor structure. Solid-state electronics, 53, 170–175 (2009). https://doi.org/10.1016/j.sse.2008.10.012 ; https://www.elibrary.ru/kplmmtГуртов В. А. Твердотельная электроника: учеб. пособие. ПетрГУ, Петрозаводск (2004). https://www.elibrary.ru/qmofjdGurtov V. A. Solid-state electronics: Textbook. PetrGU, Petrozavodsk (2004). (In Russ.) https://www.elibrary.ru/qmofjdPavlenko A. V., Stryukov D. V., Kovtun A. P. et al. Synthesis, structure, and dielectric characteristics of Sr0.61Ba0.39Nb2O6 single crystals and thin films. Physics of the Solid State, 61, 244–248 (2019). https://doi.org/10.1134/S1063783419020185 ; https://www.elibrary.ru/hwwkmqPavlenko A. V., Stryukov D. V., Kovtun A. P. et al. Synthesis, structure, and dielectric characteristics of Sr0.61Ba0.39Nb2O6 single crystals and thin films. Physics of the Solid State, 61, 244–248 (2019). https://doi.org/10.1134/S1063783419020185 ; https://www.elibrary.ru/hwwkmqМакинян Н. В., Павленко А. В. Диэлектрические характеристики гетероэпитаксиальных тонких пленок Sr 0.60Ba0.40Nb2O6, выращенных на подложке Pt(001)/MgO(001). Физика твёрдого тела, 65(11), 1957–1963 (2023). https://doi.org/10.61011/FTT.2023.11.56550.192 ; https://www.elibrary.ru/huffgbMakinyan N. V., Pavlenko A. V. Dielectric characteristics of heteroepitaxial Sr0.60Ba0.40Nb2O6 thin films grown on a Pt(001)/MgO(001) substrate. Physics of the Solid State, 65(11), 1957–1963 (2023). (In Russ.) https://doi.org/10.61011/FTT.2023.11.56550.192 ; https://www.elibrary.ru/huffgb

The authors declare that there are no conflicts of interest present.