Регистрация / Вход
Прислать материал

Новые СВЧ приборы на основе явлений нелинейной электродинамики сегнетоэлектрических и ферромагнитных пленочных структур

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0465
Организация
CПбГЭТУ "ЛЭТИ"
Руководитель работ
Калиникос Борис Антонович

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Козырев Андрей Борисович

Этапы проекта

1
30.09.2009 - 31.12.2009
За время выполнения данного этапа проекта получены следующие основные научные результаты:
• Разработаны численные и аналитические методы расчета собственных мод многослойных акустических резонаторов СВЧ фильтра, содержащих сегнетоэлектрические пленки.
• Теоретически исследована аномальная дисперсия электрического импеданса емкостных структур на основе сегнетоэлектрических пленок в диапазоне частот от 1 МГц до 10 ГГц.
• Теоретически описаны волноведущие тонкопленочные слоистые структуры «феррит-сегнетоэлектрик» на основе щелевой линии передачи СВЧ сигнала.
• Теоретически описан процесс преобразования формы импульсного сигнала, распространяющегося в линиях передачи на основе нелинейных сегнетоэлектрических материалов. Сформулированы требования к параметрам сегнетоэлектрических структур (малосигнальные характеристики, нелинейность, потери).

Показано, что аномальный рост диэлектрических потерь, наблюдаемый при приложении напряжения управления к плоскопараллельной емкостной структуре с сегнетоэлектрической пленкой, наиболее ярко выражен на частотах, соответствующих частотам собственных нечетных акустических мод.
Обобщены и представлены в обзоре сведения по исследованию нелинейного отклика сосредоточенных и распределенных структур с сегнетоэлектрическими пленками на сигналы СВЧ; это позволило сделать вывод о том, что диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрических пленок в параэлектрической фазе практически безынерционно управляется электрическим полем СВЧ частотой ≤10ГГц и что она обусловлена динамикой отклика кристаллической решетки на быстронарастающее электрическое поле СВЧ, а «медленные» механизмы изменения поляризации, обусловленные инерционным смещением зарядов, оказываются выключенными и не влияют на формирование нарастающего фронта сигнала. Этот вывод крайне важен для сегнетоэлектрических нелинейных линий передачи, т.к. определяет возможность их использования для формирования фронтов субнаносекундной длительности.
Проведено компьютерное моделирование (Программы AWR Design Environment 2007 и pSPICE) характеристик цепочечной структуры НЛП на сосредоточенных L, C - элементах (C - емкость планарного сегнетоэлектрического конденсатора) и формы импульсов на различных секциях вдоль линии при подаче на вход НЛП прямоугольных импульсов напряжения различной амплитуды и длительности фронтов. Оба способа моделирования дали близкие результаты при использовании конденсаторов с одинаковыми вольт-фарадными характеристиками и продемонстрировали двукратное увеличение крутизны фронта импульса в 40-секционной НЛП при использовании сегнетоконденсаторов с параметрами вольт-фарадной характеристики U0 150В, K 2.5.
Проведено моделирование изменения формы Гауссовского импульса при его распространении вдоль сегнетоэлектрической НЛП с распределенными параметрами, погонная емкость которой нелинейно зависит от напряжения. Моделирование было основано на численном решении нелинейного волнового уравнения для напряжения в линии при различных параметрах входного импульса (амплитуда, длительность) и различной нелинейности погонной емкости НЛП.
Показано, что использование простого феноменологического описания вольт-фарадных характеристик емкости сегнетоэлектрических элементов позволяет проводить сравнение результатов, полученных разными методами, и дает возможность сформулировать требования к сегнетоэлектрическим элементам НЛП (предельная управляемость емкости, крутизна вольт-фарадной характеристики, характеризуемые параметрами K и U0) при различных параметрах входных сигналов (амплитуда, длительность фронтов).
В результате моделирования показана принципиальная возможность создания нелинейной линии передачи на основе пленочных сегнетоэлектрических элементов для обострения фронта импульса электрического напряжения и продемонстрированы ожидаемые результаты по увеличению крутизны фронта распространяющихся вдоль линии сигналов при использовании параметров (K, U0), характерных для планарных сегнетоэлектрических структур, традиционно применяемых в технике СВЧ.
Проведен электродинамический анализ волноведущих тонкопленочных слоистых структур «феррит - сегнетоэлектрик» на основе щелевых линий передачи. Анализ продемонстрировал возможность управления дисперсионными свойствами за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической компоненты. Это дает возможность объединить в структурах «феррит - сегнетоэлектрик» преимущество спин-волновых приборов (магнитное управление) с возможностью перестройки электрическим полем и реализовать приборы с двойным управлением.
Анализ литературных источников и материалов конференций показывает, что работа соответствует мировому уровню результатов, достигнутых в настоящее время в области технического применения сегнетоэлектрических плёнок.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
• Оптимизирована технология ионно-плазменного осаждения сегнетоэлектрических пленок BaxSr1 xTiO3 (в том числе многослойных) и структур на их основе для использования в СВЧ приборах.
• Теоретически определены и экспериментально исследованы электрофизические свойства пленок BaxSr1 xTiO3, необходимых для реализации перестраиваемого резонатора электроакустического фильтра, включая СВЧ измерения в диапазоне частот (1-40 ГГц).
• Исследованы электронно-перестраиваемые частотно-селективные и дисперсионные характеристики волноведущих тонкопленочных слоистых структур «феррит-сегнетоэлектрик», построенных на основе щелевой линии передачи СВЧ сигнала.
• Исследованы явления остаточной поляризации в структурах металл/оксид (металл/сегнетоэлектрик) и способы ее подавления с целью оценки максимально достижимой крутизны фронта на выходе нелинейной линии передачи.

Полученные новые научные результаты, в частности, состоят в следующем:
1. Установлено, что уменьшение межплоскостных расстояний решетки в СЭ плёнке с ростом температуры её осаждения происходит для всех исследуемых подложек, что объясняется последовательным увеличением поверхностной диффузии осаждаемых атомов, а при дальнейшем росте температуры - сменой механизма массопереноса осаждаемых атомов с поверхностной диффузии на диффузию через газовую фазу.
2. Обнаружено, что низкие температуры осаждения СЭ плёнок приводят к возникновению в них напряжений растяжения в силу быстрой локализации осаждаемых атомов на поверхности независимо от толщины пленок и материала подложек.
3. Показано, что пленки BSTO на платине при оптимальных параметрах процесса их осаждения имеют преимущественную ориентацию (111), что объясняется структурообразующим влиянием платинного слоя. Межплоскостные расстояния уменьшаются с увеличением температуры роста пленок, приближаясь к значениям, соответствующим порошковым образцам, как и в случае осаждения СЭ пленок на диэлектрические подложки.
4. Продемонстрировано, что пленки BSTO, полученные при большой плотности потоков осаждаемых атомов (30 Å/мин) демонстрируют рельеф поверхности не более 40 нм и размеры кристаллитов порядка 100 нм, т.е. являются однородными и мелкодисперсными, что объясняется минимальным временем диффузии компонента по поверхности или через газовую фазу (в зависимости от температуры) до встраивания в осаждаемую пленку. Плёнки BSTO, полученные при малой плотности потоков осаждаемых атомов (3 Å/мин), проявляют рельеф поверхности 200-400 нм и размеры кристаллитов от 100 до 500 нм, т.е. в этом случае наблюдается большой разброс параметров по однородности поверхности и дисперсности пленки.
5. Доказано, что максимальное значение СВЧ параметра качества для плёнок BaxSr1 xTiO3 достигается при составе x = (0.30.05). Добавление акцепторной примеси Mg, способствует уменьшению диэлектрических СВЧ потерь, что связано с подавлением донорных свойств кислородных вакансий за счёт акцепторной примеси.
6. Показано, что для плёнок BaxSr1-xTiO3 x = 0.3-0.6 с управляемостью K = 1.5-2.2 в диапазоне частот от 1 до 60 ГГц происходит рост диэлектрических потерь от tgδ  0.015 до tgδ  0.040.06.
7. С помощью теоретической модели, описывающей электродинамические параметры тонкопленочных слоистых структур «феррит-щелевая линия-сегнетоэлектрик», рассчитана новая топология СВЧ микрополосково-щелевого перехода. Результаты численного моделирования показали согласование в широком частотном диапазоне, а также возможность перестройки данной структуры за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки.
8. Разработана технология получения тонкопленочных слоистых структур «феррит-сегнетоэлектрик» на основе щелевой линии передачи сигнала, предназначенной для исследования СВЧ частотно-селективных и дисперсионных характеристик.
9. Установлено, что медленные релаксационные явления ((10100) с), наблюдаемые в сегнетоэлектрических элементах в параэлектрической фазе, обусловлены существованием объёмного заряда, локализованного в приэлектродных областях с повышенной дефектностью ((10181019) см-3).
10. Обнаружено, что для структур BSTO/Pt существуют пороговые значения напряжённости электрического поля ( 25 В/мкм), ниже которых процессы медленной релаксации ёмкости СЭ конденсатора не наблюдаются.
11. Установлено, что технологические условия, при которых контакт Pt/BSTO формируется в кислородной атмосфере, позволяют создать потенциальный барьер для предотвращения инжекции носителей заряда из электрода в СЭ плёнку и, таким образом, подавить процессы медленной релаксации диэлектрической проницаемости; при этом может быть обеспечена управляемость СЭ конденсатора K ≥ 2.
12. Показано, что использование ультрафиолетового излучения с длиной волны соответствующей максимуму фотопроводимости при данной толщине плёнки позволяет уменьшить время медленных релаксаций в структурах металл/СЭ/металл на 3 порядка и подавить остаточную поляризацию за время  1 с.

Анализ литературных источников и материалов конференций показывает, что работа соответствует мировому уровню результатов, достигнутых в настоящее время в области исследования и технического применения сегнетоэлектрических плёнок.
Развернуть
3
01.07.2010 - 31.12.2010
В ходе третьего этапа проекта были выполнены следующие работы:
1. Проведены исследования электрического переключения частот аномальной дисперсии импеданса многослойного акустического резонатора.
2. Проведено моделирование параметров сегнетоэлектрической нелинейной линии передачи и формы сигнала на ее выходе с учетом параметров входного сигнала (амплитуда, длительность фронта) и свойств сегнетоэлектрической пленки.
3. Построена теоретическая модель активного кольцевого фильтра на основе гетероструктур феррит-сегнетоэлектрик и моделирование его рабочих характеристик.

Методология проведения работы заключается в получении сегнетоэлектрических плёнок методами ионно-плазменного распыления; выполнении экспериментальных исследований структурных и электрофизических свойств сегнетоэлектрических плёнок; проведении измерения параметров сосредоточенных и распределённых структур на основе сегнетоэлектрических плёнок в диапазоне СВЧ; численном моделировании электродинамических параметров тонкопленочных слоистых структур «феррит-сегнетоэлектрик». При выполнении работ по третьему этапу получены следующие основные научные результаты. Разработана конструкция сегнетоэлектрического акустического СВЧ резонатора. Разработан способ перестройки резонансной частоты сегнетоэлектрического акустического СВЧ резонатора, основанный на избирательном возбуждении его собственных акустических мод. Предложен метод оценки эффективности нелинейной линии передачи, предназначенной для формирования ударной волны, основанный на феноменологическом описании ВФХ сегнетоэлектрических варакторов. Разработана модель активного кольцевого фильтра на основе гетероструктур феррит-сегнетоэлектрик. Разработана модель перестраиваемого резонатора на объемных акустических волнах в пленке титаната бария-стронция.
Развернуть
4
01.01.2011 - 30.04.2011
• Проведено моделирование миниатюрного перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра на акустических резонаторах в диапазоне (1 4) ГГц
• Оптимизирована конструкция сегнетоэлектрической нелинейной линии передачи для формирования ультракоротких импульсов
• Исследован временной отклик СВЧ параметров слоистых феррит- сегнетоэлектрических структур на управляющие полевые воздействия с целью получения максимально возможного быстродействия приборов на их основе
• Проведены патентные исследования планируемых конструктивных и технологических решений в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
Развернуть
5
01.05.2011 - 15.09.2011
За счет бюджетных средств были выполнены следующие работы
• Разработка топологии, изготовление и тестирование перестраиваемого акустического фильтра.
• Разработка топологии, изготовление и тестирование формирователя ультракоротких импульсов на основе сегнетоэлектрической нелинейной линии передачи.
• Разработка топологии, изготовление и тестирование активного кольцевого фильтра с двойной электронной перестройкой на основе гетероструктур «феррит-сегнетоэлектрик» и исследование его характеристик. Изучение возможностей оптимальной фильтрации цифровых СВЧ сигналов.
• Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
• Анализ перспектив ОКР по результатам НИР.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2012 - 2013, 15 мес.
Бюджетные средства
5,86 млн
Организация
ИПФ РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2005, 1 мес.
Бюджетные средства
0,36 млн
Организация
CПбГЭТУ "ЛЭТИ"
профинансировано
Продолжительность работ
2010 - 2012, 31 мес.
Бюджетные средства
4,5 млн
Организация
НГТУ
профинансировано
Тема
Разработка основ технологии формирования прецизионных доменных структур в сегнетоэлектрических нелинейно-оптических монокристаллах для рабочих элементов оптических преобразователей лазерного излучения.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 13 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка методов формирования бидоменных структур в сегнетоэлектрических монокристаллах для создания прецизионных актюаторов
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
4
Тема
Разработка методов получения ферромагнитных полупроводниковых структур для устройств электроники и информатики, работающих на новых функциональных принципах.
Продолжительность работ
2011 - 2012, 20 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
4
Тема
Разработка технологии формирования доменных структур больших размеров в сегнетоэлектрических монокристаллах с высокой температурой Кюри.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
6 млн
Количество заявок
0
Тема
«Организационно-техническое обеспечение проведения всероссийской научной школы «Нелинейные явления в конденсированных средах»»
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
0