Raport stiintific privind implementarea proiectului

Antene compacte integrate agile cu materiale feroelectrice acordabile in perioada februarie – decembrie 2014

Antenele de mici dimensiuni au un rol foarte important în proiectarea sistemelor de comunicatii

fara fir, avand un impact direct atat asupra calității conexiunii cat și asupra consumului de energie . Mai mult decât atât, proprietatile acestora sunt direct legate de modul de integrare cat si de mediul in care sunt integrate. Aceasta implică dezvoltarea de soluții inovatoare și dedicate in vederea obtinerii de antene reconfigurabile, care combină rezultatele de ultima ora obtinute in domeniile materialelor feroelectrice cu cele de proiectare si integrare. Proiectul se concentreaza pe soluții de integrare astfel incat sa se obtina cel mai bun compromis între performantele antenei, dimensiunea și complexitatea de fabricare, în acelasi timp fiind investigata relatia intre performantele antenei corelate cu proprietatile materialului feroelectric.

Dimensiuni reduse si facilitati de integrare pot fi asigurate folosind straturi subtiri feroelectrice. In acest sens, cerintele principale pentru realizarea unei antene reconfigurabile compacte sunt:

• integrarea în module de emisie-receptie; • utilizarea structurilor Metal/Feroelectric/Metal (MFM) cu valoari ale capacitatii cuprinse intre 1 pF

și 10 pF; intr-un domeniu de 3 pF - 6 pF, se poate obtine o tunabilitate de aproximativ 10%; • obtinerea de structuri MFM folosind materiale cu permitivitate ridicata și pierderi reduse; • consum redus de energie, cu scopul de a putea fi integrata cu succes intr-un sistem mobil.

In primul an al proiectul, echipa din Romania a fost focalizata pe obtinerea straturilor subtiri feroelectrice prin diferite metode de crestere si anume: metoda fizica de depunere din faza de vapori prin pulverizare in radio-frecventa (RF sputtering) si metoda sol-gel de depunere chimica din solutie. In acord cu conditiile pentru realizarea antenei versus fezabilitatea materialelor simulate de echipa din Franta, filmele au fost caracterizate prin tehnici experimentale complexe (XRD, SEM, AFM, spectroscopia dielectrica, etc.) pentru a se identifica conditiile adecvate de crestere. Dezvoltarea electrodului inferior

Obtinerea de dispozitive performante cu proprietati controlabile din material oxidice implica cresterea cu un grad de texturare cat mai mare sau epitaxiala a acestor materiale, stiindu-se faptul ca proprietatile lor depind de orientarea cristalografica. In cele mai multe cazuri la cresterea materialelor oxidice sunt folosite substraturi monocristaline (SrTiO3, MgO) pentru ca exista intre acestea o buna potrivire a retelelor cristaline. Integrarea materialelor cu siliciul este mai problematica din cauza nepotrivirii retelelor cristaline si a dificultatilor in a controla fenomenele ce pot apare la interfata dintre siliciu si materialul feroelectric. Astfel, substratul ales cat si materialul din care este preparat electrodul inferior sunt foarte importante in stabilirea proprietatilor finale ale stratului feroelectric si implicit ale dispozitivului obtinut.

In vederea controlului orientarii electrodului inferior al structurilor MFM, au fost analizate posibilitatile de crestere heteroepitaxiala a SrRuO3 si a Ir pe susbtraturi monocristaline de MgO si Si. Stabilitatea chimica a rutenatului de strontiu si valoarea constantei de retea a acestuia (apropiata de cea a substratului de MgO) il face un bun candidat ca electrod inferior in dispositive ce contin heterostructuri oxidice. Cresterea texturata sau heteroepitaxiala a rutenatului de strontiu pe substrat de oxid de magneziu este facilitata de potrivirea buna a constantelor de retea a=0.421 nm in cazul MgO, respectiv a=0.393 nm in cazul SRO. In cazul oxidului de magneziu, neadaptarea retelelor cristaline (aIr-aMgO)/aMgO dintre cele doua materiale este de aproximativ 8%, așa cum este prezentat schematic în figura 1.a, dar aceasta poate ajunge la valori de 0.3 % in cazul suprapunerii a 11x11 celule de Ir cu 10x10 celule de MgO ceea ce poate conduce la cresterea heteroepitaxiala a stratului de Ir(001) pe MgO(001). Pe de alta parte, pentru a putea creste orientat Ir pe Si este necesar sa se foloseasca un strat tampon. In acest sens, in figura 1.b este prezentata o posibila relatie de heteroepitaxie intre Ir(111) si strat tampon de Ti pentru care neadaptarea de retea este de 5% pe directiile [2110], [1210] si [1120].

Cresterea de straturi subtiri metalice, cu structura cristalina de tipul cubica cu fete centrate (cfc), cu un grad mare de texturare depinde atat de factori cinetici cat si termodicnamici cum ar fi energia cinetica a atomilor pulverizati, energia de interfata substrat/strat si energia de suprafata. In cazul metalelor cu structura cubica cu fete centrate planul (111) are energia de suprafata cea mai mica datorita faptului ca densitatea de atomi in acest plan este cea mai mare. Acest lucru face ca straturile subtiri metalice cu stuctura cfc, in cazul de fata iridiu, sa aiba in mod natural un grad mai ridicat de orientare pe directia cristalina [111]. Pentru a se obtine straturi metalice cu o alta orientare cristalina, pe langa conditiile de cresterea, alegerea stratului tampon este esentiala.

a) Ir(100) pe MgO(100) b) Ir(111) pe Ti(0001)

Fig. 1. Prezentare schematica a relatiei de heteroepitaxie a electrodului de Ir.

Pregatirea suprafetei substraturilor este esentiala pentru a promova cresterea texturata sau heteroepitaxiala a filmelor, metalice sau fereolectrice. Pentru exemplificare este prezentata in continuare procedura folosita pentru substraturile de MgO. Acestea au fost curatate prin ultrasonare timp de 5 minute in acetona si alcool etilic si tratate termic la peste 1000 oC. In urma acestui tratament, suprafata substratului de MgO este reconstruita la nivel atomic cu terase avand latimea medie de aproxiamtiv 200 nm si inaltimea de aproximativ 200 pm. In figura 2 sunt prezentate imaginile AFM ale suprafetei substratului de MgO, inainte (a) si dupa (b) tratamentul termic. In figura 2.b si 2.c sunt clar evidentiate terasele formate respectiv inaltimea si latimea acestora.

a) b)

c)

Fig. 2. Imagini AFM ale substratului de MgO a) inainte si b) dupa tratamentul termic iar c) reprezinta linia de profil pe suprafata substratului tratat termic.

Formarea teraselor la suprafata substratului de MgO nu este o regula, acestea fiind puternic influentate de calitatea substratului si ungiul de taiere a acestuia. Din acest motiv o selectie riguroasa a fost facuta inainte de depunerea electrozilor pe aceste substraturi.

Metoda folosita la obtinerea electrodului inferior a fost pulverizarea ‘in-situ’ in radio-frecventa. Depunerile au fost facute pe substraturi monocristaline de MgO(001) si substraturi de SiO2/Si. Au fost facute un numar mare de depuneri si un studiu amanuntit privind temperatura substartului, presiunea gazului de lucru si puterea aplicata pe tinta pentru a stabilii conditiile optime necesare obtinerii straturilor metalice. Calitatea cristalizarii si orientarea cristalografica a acestora a fost determinata prin difractie cu raze X (Fig. 3) iar marfologia suprafetei a fost investigata prin microscopie de forta atomic (rugozitati de ordinul a 1-2 nm).

a) SrRuO3 pe MgO b) Ir pe MgO c) Ir pe Ti/SiO2/Si

Fig. 3. Diagramele de difractie pe electrozii inferiori.

A fost pus in evidenta ca orientarea electrodului inferior poate fi controlata cu succes prin alegerea substratului/ stratului tampon. Rezistivitatea electrica a electrozilor masurata prin metoda celor patru puncte a fost de aproximativ 400 µΩ•cm, fiind in buna corelatie cu cele raportate in literatura. In cadrul colaborarii cu partenerul francez au fost trimise cinci probe cu iridiu depus pe substrat de MgO si cinci probe cu Ti/SiO2/Si in vederea depunerii de BST prin ablatie laser si caracterizarea acestora. Obtinerea straturilor subtiri BST prin pulverizare in radio-frecventa

Materiale ferolectrice masive Ba2/3Sr1/3TiO3 au fost preparate prin reactie in faza solida din pulberi de inalta puritate. Parametrii tehnologici utilizati au fost similiari cu cei descrisi in Prog. Solid State Chem. 35 (2007) 513-520. Discurile obtinute au fost prelucrate mecanic in vederea folosirii ca tinte pentru cresterea filmelor subtiri prin pulverizarea in radio-frecventa. In continuare vor fi prezentate rezultatele obtinute pentru straturile subtiri de BST pe electrodul de Ir(001) depus pe substrat de MgO(001) si pe Ir(111) depus pe substrat de Si(001) cu strat tampon de Ti(0001). Difractogramele de raze X obtinute pe structura BST/Ir/MgO (Fig. 4.a) si pe BST/Ir/Ti/SiO2/Si (Fig. 4.b) arata faptul ca textura filmelor BST este putenic influentata de orientarea cristalina a electrodului de iridiu.

a) BST/Ir/MgO b) BST/Ir/Ti/SiO2/Si

Fig. 4. Diagramele de difractie ale filmelor BST crescute pe Ir/MgO si Ir/Ti/SiO2/Si.

Influenta substratului asupra morfologiei filmelor BST, analizata pe o suprafata de 2 m2, depuse la 600 oC este prezentata in figura 5. Dupa cum se poate observa, ambele esantioane prezinta o morfologie de tip granular cu graunti a caror dimensiune laterala este cuprinsa intre 30-60 nm pentru proba BST/Ir/MgO puternic texturata, repectiv 30-100 nm pentru proba BST/Ir/Ti/SiO2/Si fara orientare preferential, iar rugozitatea ambelor esantioane este de aproximativ 16 nm.

a) BST/Ir/MgO (Rrms=16nm) b) BST/Ir/Ti/SiO2/Si (Rrms=20nm)

Fig. 5. Imagini AFM ale filmelor BST crescute pe Ir/MgO si Ir/Ti/SiO2/Si.

Rezultatele obtinute, atat in cazul stratului de iridiu depus pe substrat de siliciu cat si pe substrat de MgO indica faptul ca acesta poate fi folosit cu success ca electrod inferior in dispozitive pe baza de material feroelectrice. Obtinerea straturilor subtiri de BNT-BT prin sol-gel si PLD

Pentru obtinerea filmelor subtiri de Bi1/2Na1/2TiO3-0,08BaTiO3 (BNT-BT) folosind metoda de depunere cu laserul pulsat (metoda PLD) este necesar sa se preparare o tinta de BNT-BT. Tinta pentru PLD a fost preparata prin metoda sol-gel dupa un procedeu descris anterior [J. Alloy. Compd. 490 (2010) 690].

Difractograma de raze X a unui film subtire de BNT-BT depus prin PLD pe Ir/Ti/SiO2/Si este prezentata in Fig. 6.a. Asa cum rezulta din difractograma, faza principala este BNT-BT romboedral dar exista si o faza secundara de Bi2Ti2O7 cu structura pyrochlore ca faza secundara. Morfologia suprafetei filmului BNT-BT este prezentata in Fig.6.b, indicand o buna cristalizare si densificare.

20 30 40 50 60

* -Pyrochlore

**

**o

o

o

oo

o - BNBT

Inte

nsi

ty (

a. u

.)

2 Theta (degrees)

o

a) Diagrama de difractie b) Imagine AFM

Fig. 6. Caracteristici morfo-structurala ale unui esantion BNT-BT crescut prin PLD pe substrat de Ir/Ti/SiO2/Si.

Prin tratamente termice successive au fost indetificate conditiile termice optime pentru obtinerea

filmelor subtiri monofazice pe baza de BNT-BT, derivate din sol precursor. In figura 6 sunt redate proprietatile morfostructurale ale unui esantion reprezentativ depus pe MgO, tratat in O2 la 800 oC/ 1 h.

20 25 30 35 40

Inte

nsi

ty (

a. u

.)

2 Theta (degrees)

a) Diagrama de difractie b) Imagine SEM in sectiune

Fig. 6. Caracteristici morfo-structurala ale unui esantion BNT-BT crescut prin sol-gel pe MgO.

Se poate afirma pe baza rezultatelor prezentate mai sus ca atat metoda sol-gel cat si metoda PLD

pot fi folosite cu succes pentru prepararea unor filme pe baza de BNT-BT0.08 dense si fara fisuri, pentru utilizari in microelectronica. Proprietati dielectrice ale filmelor Proprietatile dielectrice ale unor esantioane reprezentattive au fost trimise partenerului francez pentru masurari in microunde. Rezultatele obtinute la 10 GHz in cavitatea rezonanta sunt prezentate in tabelul de mai jos.

Proba Metoda Constanta dielectrica Pierderi dielectrice

BST/MgO RF 274 1,69x10-3

BNT-BT/MgO PLD 286 8,27x10-2

BNT-BT/MgO Sol-gel 317 8,05x10-2

Diseminarea rezultatelor 1. Highly textured iridium thin films grown on MgO and Si substrates, L. Trupina, L. Nedelcu, C. C. Negrila, M. Cioangher, International Balkan Workshop on Applied Physics, IBWAP 2014. 2. Dielectric properties of Ba2/3Sr1/3TiO3 ferroelectric ceramics, L. Nedelcu, L. Trupina, C. P. Ganea, C. D. Geambasu, M. Cioangher, M. G. Banciu, International Balkan Workshop on Applied Physics, IBWAP 2014.

Rezultatele obtinute de echipa romana in prima etapa a proiectului fac obiectul a doua manuscrise in curs de finalizare. Totodata, o parte din rezultatele commune obtinute au fost trimise pentru prezentare la doua conferinte international de prestigiu (International Microwave Symposium si Xixemes Journees Nationales Micro-Ondes).

In concluzie, obiectivele propuse au fost indeplinite cu succes, urmand ca in etapele viitoare sa se continue studiul in vederea optimizarii caracteristicilor heterostructurilor cu filme feroelectrice, in acord cu cerintele impuse pentru proiectarea si realizarea antenelor compacte integrate agile. Director proiect, Dr. Liviu Nedelcu