Investigations on the dielectric and ferroelectric characteristics of SBN60 ferroelectric-relaxor thin films on semiconductor substrates in a wide temperature range

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

About the authors

N. V. Makinyan

Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Email: norair.makinyan@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0007-6748-3026

A. V. Pavlenko

Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences ; Southern Federal University

Email: tolik_260686@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8066-4955
SPIN-code: 9243-5594

P. V. Popov

Research Center for Applied Metrology – Rostest

ORCID iD: 0000-0001-8435-4356

V. A. Bobylev

Southern Federal University

Email: bobylev@sfedu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2214-0616

Ya. Yu. Matyash

Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Email: matyash.ya.yu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1725-5635

D. V. Stryukov

Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences

Email: 6strdl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5597-3801

References

  1. Гриценко В. А., Исламов Д. Р. Физика диэлектрических пленок: механизмы транспорта заряда и физические основы приборов памяти. Параллель, Новосибирск (2017). https://www.elibrary.ru/otdnyb
  2. Воротилов К. А., Сигов А. С. Сегнетоэлектрические запоминающие устройства. Физика твёрдого тела, 54, 843–848 (2012). https://www.elibrary.ru/rcsplb
  3. Павленко 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).
  4. 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/PHYXSH
  5. Ivanov 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/vrgepz
  6. Сигов 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/rcrudp
  7. Mulaosmanovic 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/vnzvfh
  8. Yoon 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.2019.2930222
  9. Павленко 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/euobty
  10. Zhang 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/kplmmt
  11. Гуртов В. А. Твердотельная электроника: учеб. пособие. ПетрГУ, Петрозаводск (2004). https://www.elibrary.ru/qmofjd
  12. Pavlenko 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/hwwkmq
  13. Макинян 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/huffgb

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).