3
ПОРИСТЫЙ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР С ЭЛЕКТРОДАМИ ИЗ LaNiO

Полезная модель относится к области электрических устройств, а именно к электрическим конденсаторам с нелинейным диэлектриком, и может быть использована в технологии микроэлектронного производства широкого класса управляемых электрическим полем элементов и пьезоэлектрических устройств микромеханики, а также разнообразных датчиков, преобразователей и пьезоэлектрических генераторов электрической энергии.
0.2
0.8
3
Из уровня техники известен пористый сегнетоэлектрический конденсатор, содержащий нижний электрод и верхний электрод, разделенные бездефектной кристаллической сегнетоэлектрической пленкой на основе цирконата-титаната свинца с равномерным включением пор [Stancu V. et al. Effects ofporosity on ferroelectric properties of Pb(ZrTi)O films // Thin Solid Films. - 2007. - V.515. - P.6557-6561 (аналог)].
Недостатком аналога является использование в качестве материалов нижнего электрода и верхнего электрода драгоценных металлов - платины и золота соответственно. При этом сегнетоэлектрическую пленку формируют методом химического осаждения из раствора, а нижний электрод и верхний электрод напыляют методом термического испарения в вакууме. Эти методы не могут быть реализованы в рамках одного технологического цикла. В свою очередь использование разных материалов нижнего электрода и верхнего электрода усложняет характеризацию и работу пористого сегнетоэлектрического конденсатора, т.к. требуется учитывать поправку на различные значения работы выхода электрона.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является пористый сегнетоэлектрический конденсатор, содержащий нижний электрод и верхний электрод, разделенные бездефектной кристаллической сегнетоэлектрической пленкой на основе цирконата-титаната свинца с равномерным включением пор [патент RU 162401 U1, опубл. 10.06.2016]. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Также как и в аналоге, в качестве материала нижнего электрода в прототипе используется платина, а в качестве материала верхнего электрода в полупроводниковой промышленности обычно применяют золото или платину, реже - иридий, рутений, родий, палладий и прочие драгоценные металлы. При этом сегнетоэлектрическую пленку формируют методом химического осаждения из раствора, а нижний электрод и верхний электрод напыляют методом термического испарения в вакууме. Эти методы не могут быть реализованы в рамках одного технологического цикла.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача достижения следующего технического результата: уменьшение стоимости пористого сегнетоэлектрического конденсатора за счет замены материала электродов на более дешевый и технологичный.
3
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются за счет того, что в пористом сегнетоэлектрическом конденсаторе, содержащем нижний электрод и верхний электрод, разделенные бездефектной кристаллической сегнетоэлектрической пленкой на основе цирконата-титаната свинца с равномерным включением пор, согласно предложенной полезной модели, сегнетоэлектрическая пленка, нижний электрод и верхний электрод сформированы методом химического осаждения из растворов, нижний электрод и верхний электрод выполнены из идентичного материала, проводящего LaNiO, имеющего перовскитную природу подобную сегнетоэлектрической пленке, нижний электрод выполнен в виде столбчатых зерен перовскита с преимущественной кристаллографической ориентацией.
Формирование сегнетоэлектрической пленки, нижнего электрода и верхнего электрода методом химического осаждения из растворов позволяет изготавливать пористый сегнетоэлектрический конденсатор в рамках одного технологического цикла.
Выполнение нижнего электрода и верхнего электрода из идентичного материала обеспечивает более простую характеризацию и работу пористого сегнетоэлектрического конденсатора, не требующие учета поправки на различные значения работы выхода электрона.
3
8
Выполнение нижнего электрода и верхнего электрода из проводящего LaNiO, имеющего перовскитную природу подобную сегнетоэлектрической пленке, позволяет увеличить количество циклов усталостного нагружения (до 10).
3
Выполнение нижнего электрода в виде столбчатых зерен перовскита с преимущественной кристаллографической ориентацией обеспечивает эпитаксиальный рост перовскитных зерен сегнетоэлектрической пленки на поликристаллической структуре нижнего электрода из LaNiO, наследуя его кристаллографическую ориентацию, что также способствует снижению температуры кристаллизации сегнетоэлектрической пленки примерно на 50°С относительно прототипа.
3
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично изображен пористый сегнетоэлектрический конденсатор с электродами из LaNiO.
3
3
Пористый сегнетоэлектрический конденсатор с электродами из LaNiO содержит нижний электрод 1 и верхний электрод 2, разделенные бездефектной кристаллической сегнетоэлектрической пленкой 3 на основе цирконата-титаната свинца. В объеме сегнетоэлектрической пленки 3 равномерно распределены поры 4. Сегнетоэлектрическая пленка 3, нижний электрод 1 и верхний электрод 2 сформированы методом химического осаждения из растворов. Нижний электрод 1 и верхний электрод 2 выполнены из идентичного материала - проводящего LaNiO, имеющего перовскитную природу подобную сегнетоэлектрической пленке 3. Нижний электрод 1 выполнен в виде столбчатых зерен перовскита 5 с преимущественной кристаллографической ориентацией.
3
Пористый сегнетоэлектрический конденсатор с электродами из LaNiO работает следующим образом.
При приложении механического напряжения (сжатия, растяжения или сдвига) к сегнетоэлектрической пленке 3 на гранях ее элементарных ячеек возникают электрические заряды противоположных знаков, и сегнетоэлектрическая пленка 3 в целом поляризуется, создавая между нижним электродом 1 и верхним электродом 2 разность потенциалов, причем при изменении направления деформации изменяются и знаки зарядов (т.н. прямой пьезоэлектрический эффекте).
При приложении разности потенциалов между нижним электродом 1 и верхним электродом 2 дипольные моменты элементарных ячеек сегнетоэлектрической пленки 3 ориентируются в направлении вектора напряженности внешнего электрического поля, и она поляризуется в соответствии с полярностью поданного напряжения. В результате поляризации происходит механическая деформация сегнетоэлектрической пленки 3, которая проявляется в виде изменения линейных размеров (сжатия или растяжения) вдоль вектора напряженности внешнего электрического поля (т.н. обратный пьезоэлектрический эффект). При отключении напряжения состояние поляризации сегнетоэлектрической пленки 3 в значительной степени сохраняется в течение длительного времени (т.н. остаточная поляризация).
На прямом пьезоэлектрическом эффекте основан принцип действия различных датчиков и пьезоэлектрических генераторов электрической энергии, а на обратном - принцип работы исполнительных элементов микроэлектромеханических систем и преобразователей.
Изготовление предлагаемой полезной модели может быть осуществлено (технически реализовано) следующим образом.
3
3
з
3
3
2
3
Процесс изготовления пористого сегнетоэлектрического конденсатора с электродами из LaNiO начинают с приготовления безводного пленкообразующего раствора на основе цирконата-титаната свинца, осуществляемого, например, в соответствии со способом, описанным в [патент RU 2470866 С1, опубл. 27.12.2012], и пленкообразующего раствора никелата лантана с мольным соотношением La:Ni=1:1. Последний получают путем растворения соответствующего. количества ацетата лантана [La(СНСОО)] и тетрагидрата ацетата никеля [Ni(СНСОО)⋅4HO] в ледяной уксусной кислоте (СНСООН) при температуре 110°С и перемешивания смеси в течение 90 мин, после чего охлаждают до 70°С и добавляют уксусную кислоту для разбавления исходного раствора до требуемой мольной концентрации, например, 0,3 М. Затем, пленкообразующий раствор охлаждают при перемешивании до температуры 20÷25°С, после чего пропускают через фильтр с размером пор 20-22 мкм.
Безводный пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца может дополнительно содержать, по меньшей мере, одну легирующую добавку (например, лантан или ниобий) для снижения токов утечки в сегнетоэлектрической пленке 3 за счет компенсации свободных носителей заряда (дырок).
В приготовленный безводный пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца вводят до 20 мас.% порогена в виде молекул органического полимера, содержащих амидные и/или этиленовые группы, осуществляемого, например, в соответствии с [патент RU 162401 U1, опубл. 10.06.2016].
3
3
3
3
3
Для непосредственного изготовления пористого сегнетоэлектрического конденсатора с электродами из LaNiO берут подложку, на которой, при необходимости, формируют диэлектрический, адгезионный и барьерный подслои. Затем наносят пленкообразующий раствор никелата лантана, например, методом центрифугирования при скорости вращения 2000÷3000 об/мин. Полученный слой сушат при температуре 150÷250°С в течение 5 мин и подвергают пиролизу при температуре 400÷500°С в течение 10 мин. В результате этой операции формируется слой твердого раствора LaNiO. Затем таким же образом сверху формируют остальные слои твердого раствора LaNiO путем послойного нанесения, сушки и пиролиза. Количество слоев твердого раствора LaNiO зависит от необходимой толщины формируемого нижнего электрода 1. После этого проводят кристаллизацию LaNiO при температуре 600÷700°С в течение 15 мин для получения нижнего электрода 1.
3
3
3
Следующим этапом на нижний электрод 1 наносят безводный пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца, например, методом центрифугирования при скорости вращения 2500÷3000 об/мин. Затем полученный слой сушат при температуре 150÷250°С в течение 5 мин и подвергают пиролизу при температуре 350÷450°С в течение 10 мин. В результате этой операции формируется слой твердого раствора Pb(Zr,Ti)O. Затем таким же образом сверху формируют остальные слои твердого раствора Pb(Zr,Ti)O путем послойного нанесения, сушки и пиролиза. Количество слоев твердого раствора Pb(Zr,Ti)O зависит от необходимой толщины формируемой сегнетоэлектрической пленки 3. После этого проводят кристаллизацию при температуре 600÷700°С в течение 15 мин для получения сегнетоэлектрической пленки 3.
3
Изготовление пористого сегнетоэлектрического конденсатора с электродами из LaNiO заканчивают нанесением на сегнетоэлектрическую пленку 3 верхнего электрода 2, выполняемым аналогично формированию нижнего электрода 1.
Предложенная полезная модель позволяет уменьшить стоимости пористого сегнетоэлектрического конденсатора за счет замены материала электродов на более дешевый и технологичный.