(Ba,Sr)TiO₃ ferroelectric thin films for tunable microwave applications

Wontae Chang^a,*, Steven W. Kirchoefer^a, J.A. Bellotti^a, J.M. Pond^a, D.G. Schlom^b and J.H. Haeni^b

^a Naval Research Laboratory, 4555 Overlook Avenue SW, Washington DC 20375, USA * e-mail: chang@estd.nrl.navy.mil.

^b Department of Materials Science and Engineering, Penn State University, University Park, PA 16802, USA.

Abstract

The dielectric properties of ferroelectric thin films were investigated for tunable microwave applications. We have observed that epitaxially grown Ba_1-x Sr_x TiO₃ (BST, 0.4≤ X ≤1) films are distorted from the normal cubic symmetry of the corresponding bulk at room temperature. This structural distortion caused by film strain has a strong impact on the microwave dielectric properties. For compressive strain, the dielectric constant and tuning were decreased and the films showed high dielectric Q. However for tensional strain, the opposite effect was observed. This observation has been interpreted based on phenomenological thermodynamics and strain-induced polarization physics. Two experimental examples, strain-relieved films and strain-enabled films, are presented to show how film strain affects the tunable microwave properties.

Keywords: Ferroelectrics; thin films; tunable application; microwave.

Resumen

En el presente trabajo se investigan las propiedades dieléctricas de las películas delgadas ferroeléctricas por medio de aplicaciones de microondas sintonizables. Hemos observado que la película de Ba_1-x Sr_x TiO₃ (BST, 0.4≤ X ≤1) que crece epitaxialmente sufre una distorsión a partir de su simetría cúbica normal a temperatura ambiente. Esta distorsión estructural causada por el esfuerzo aplicado en la película tiene un impacto importante en sus propiedades dieléctricas. En el esfuerzo de compresión, la constante dieléctrica disminuyó y las películas mostraron un Q dieléctrico alto. No obstante, en el esfuerzo de tensión se observó el efecto contrario. Esta observación ha sido interpretada en base a la termodinámica fenomenológica y a la física de polarización inducida por tensión. Se presentan dos ejemplos experimentales, uno en películas libres de esfuerzos y otro en películas en tensión, y se muestra como la presencia de esfuerzos modifican las propiedades de sintonía en microondas.

Descriptores: Ferroeléctricos; películas delgadas; microondas.

PACS: 77.55.+f; 77.22.-d; 68.55.-a; 81.15.-z

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