A Study of the Dielectric Constant Frequency Dependencies of Thin Amorphous BaxSr1-xTiO3 Films for Phased Array Antennas
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-3-11-18Keywords:
ferroelectric phase shifter, planar capacitor, thin film, amorphous film structure, barium-strontium titanate, ferroelectric phase, dielectric constant, resonant frequencyAbstract
The purpose of the study was to investigate the dielectric constant frequency dependences of thin amorphous films made of barium-strontium titanate (BST, BaxSr1-xTiO3) with a view to use them as a nonlinear element in ferroelectric (FE) phase shifters for phased array antennas (PAAs). The BST films were deposited on sytall substrates by means of RF ion-plasma deposition for different periods of time without forcedly heating the substrate, other conditions being equal. The film thickness ranged from 57 to 320 nm. To measure the dielectric constant as a function of the applied external electric field frequency, planar electrodes made of copper and aluminum were formed on the film surface. The dielectric constant and tang of the samples and substrate were measured using the plane-parallel method to determine the effect of the planar electrodes on their limiting operating frequency. It has been concluded based on the obtained dependences that the limiting operating frequency for samples with planar electrodes is of the order of 100 MHz, and in the case of the plane-parallel method of research, it is around 1.5 GHz. The substrate’s lowest resonant frequency corresponds to the limiting frequency of the samples studied when measured by the plane-parallel method. This serves as a proof that thin amorphous BST films do not exhibit resonant phenomena that may be associated with relaxation types of polarization at frequencies up to 1.5 GHz, and that for studies at higher frequencies, it is necessary to select substrates with appropriate frequency-dependent dielectric characteristics. Additionally, it is advisable to improve the geometry of planar electrodes and their deposition technology to reduce the influence of their inductance. Nonetheless, despite these challenges, amorphous BST films have good prospects for using them in FE phase shifters for PAAs.
References
1. Юрцев О.А. Антенны бегущей волны, антенные решетки, антенны коротких, средних и длинных волн. Ч. 3. Минск: БГУИР, 2001.
2. Воротилов К.А. и др. Через столетие после открытия: сегнетоэлектрики как основа нового поколения отечественных систем обработки и передачи информации // Advanced Sci. 2020. № 4(19). С. 42—56.
3. Вендик О., Парнес М. Фазовращатели сканирующих антенн для радаров обзора территорий // Беспроводные технологии. 2007. № 3(8). С. 28—30.
4. Майстренко А., Кочемасов В. СВЧ-фазовращатели на основе сегнетоэлектриков // СВЧ-электроника. 2017. № 1. С. 42—47.
5. Воротилов К.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства. М.: Энергоатомиздат, 2011.
6. Basceri C. e. a. The Dielectric Response as a Function of Temperature and Film Thickness of Fiber-textured (Ba,Sr)TiO3 Thin Films Grown by Chemical Vapor Deposition // J. Appl. Phys. 1997. V. 82(5). Pp. 2497—2504.
7. Фирсенков А.И. и др. Сегнетоэлектрические плёнки с температурностабильными характеристиками для устройств СВЧ // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2020. № 1—2. С. 259—260.
8. Аврутин А. и др. Тонкопленочные вариконды — новые управляемые конденсаторы // Компоненты и технологии. 2013. № 10(147). С. 12—15.
9. Zhang X. e. a. Dielectric Property and Tunability of Multilayer BST-BTO Thin Film in the Terahertz Range // Optics & Laser Technol. 2022. V. 155. P. 108366.
10. Gatea H.A., Naji I.S. The Effect of Ba/Sr Ratio on the Curie Temperature for Ferroelectric Barium Strontium Titanate Ceramics // J. Advanced Dielectrics. 2020. V. 10(5). P. 2050021.
11. Тумаркин А.В. и др. Сегнетоэлектрические пленки титаната бария-стронция на подложке полуизолирующего карбида кремния // Письма в журнал технической физики. 2016. Т. 42. № 8. С. 70—77.
12. Тумаркин А.В. и др. Конденсаторные структуры на основе пленок титаната стронция // Физика твердого тела. 2012. Т. 54. № 5. С. 911—914.
13. Козырев А. и др. Волноводно-щелевой 60 GHz фазовращатель на основе (Ba,Sr)TiO3 сегнетоэлектрической пленки // Письма в журнал технической физики. 2002. Т. 28. № 6. С. 51—56.
14. Мыльников И.Л. и др. Измерения температурных зависимостей ёмкости конденсаторных структур на основе BTO и BST в режиме «охлаждение — нагрев» // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2022. Т. 1. С. 324—329.
15. Пат. № 2700901 РФ. Способ получения сегнетоэлектрических пленок Bа1-хSrхTiO3 /Тумаркин А.В., Одинец А.А., Сапего Е.Н. // Бюл. изобрет. 2019. № 27.
16. Тумаркин А.В. и др. Структурные свойства пленочного титаната бария-стронция в зависимости от технологических условий роста пленок // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 3. С. 540—544.
17. Серебрянников С.В., Носова Ю.М. Диэлектрические характеристики сегнетоэлектрического фазовращателя с тонкой аморфной пленкой // Электричество. 2026. № 1. С. 23—29.
18. Маслова Л.А. и др. Исследование структуры и диэлектрических характеристик нанопленок титаната бария-стронция, полученных высокочастотным распылением // Вакуумная техника и технология. 2010. Т. 20. № 2. С. 101—104.
19. Старостенко В.В. и др. Динамика формирования поверхности проводящих пленок алюминия на аморфных подложках // Прикладная физика. 2019. № 4. С. 60—65.
20. Мухортов В.М., Сысоев В.К., Масычев С.И. Перспективы использования наноразмерных сегнетоэлектрических гетероструктур в космическом приборостроении // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2023. Т. 10. № 3. С. 92—102.
21. Мухортов В.М. и др. Наноразмерные сегнетоэлектрические пленки — новая активная среда для микроэлектроники // Наука юга России. 2022. Т. 18. № 4. С. 33—43.
22. Дедык А.И. и др. Структурные и диэлектрические свойства керамических и тонкопленочных мультиферроиков на основе Ba0,5Sr0,5TiO3 // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2020. Т. 1. С. 41—46.
23. Вендик О.Г., Никольский М.А., Гашинова М.С. Потери на СВЧ в электродах распределенных и сосредоточенных элементов на основе сегнетоэлектриков // Письма в журнал технической физики. 2003. Т. 29. № 4. С. 5—13.
24. Иванова Н.Ю., Комарова И.Э., Бондаренко И.Б. Электрорадиоэлементы. Ч. 2.Электрические конденсаторы. СПб.: Ун-т ИТМО, 2015.
---
Для цитирования: Серебрянников С.В., Холодный Д.С., Носова Ю.М., Басарев Ю.С. Исследование частотных зависимостей диэлектрической проницаемости тонких аморфных пленок BaxSr1–xTiO3 для фазированных антенных решеток // Вестник МЭИ. 2026. № 3. С. 11—18. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-3-11-18
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Yurtsev O.A. Antenny Begushchey Volny, Antennye Reshetki, Antenny Korotkih, Srednih i Dlinnyh Voln. Ch. 3. Minsk: BGUIR, 2001. (in Russian).
2. Vorotilov K.A. i dr. Cherez Stoletie Posle Otkrytiya: Segnetoelektriki kak Osnova Novogo Pokoleniya Otechestvennyh Sistem Obrabotki i Peredachi Informatsii. Advanced Sci. 2020;4(19):42—56. (in Russian).
3. Vendik O., Parnes M. Fazovrashchateli Skaniruyushchih Antenn dlya Radarov Obzora Territoriy. Besprovodnye Tekhnologii. 2007;3(8):28—30. (in Russian).
4. Maystrenko A., Kochemasov V. SVCh-fazovrashchateli na Osnove Segnetoelektrikov. SVCh-elektronika. 2017;1:42—47. (in Russian).
5. Vorotilov K.A., Muhortov V.M., Sigov A.S. Integrirovannye Segnetoelektricheskie Ustroystva. M.: Energoatomizdat, 2011. (in Russian).
6. Basceri C. e. a. The Dielectric Response as a Function of Temperature and Film Thickness of Fiber-textured (Ba,Sr)TiO3 Thin Films Grown by Chemical Vapor Deposition. J. Appl. Phys. 1997;82(5):2497—2504.
7. Firsenkov A.I. i dr. Segnetoelektricheskie Plenki s Temperaturnostabil'nymi Harakteristikami dlya Ustroystv SVCh. SVCh-tekhnika i Telekommunikatsionnye Tekhnologii. 2020;1—2:259—260. (in Russian).
8. Avrutin A. i dr. Tonkoplenochnye Varikondy — Novye Upravlyaemye Kondensatory. Komponenty i Tekhnologii. 2013;10(147):12—15. (in Russian).
9. Zhang X. e. a. Dielectric Property and Tunability of Multilayer BST-BTO Thin Film in the Terahertz Range. Optics & Laser Technol. 2022;155:108366.
10. Gatea H.A., Naji I.S. The Effect of Ba/Sr Ratio on the Curie Temperature for Ferroelectric Barium Strontium Titanate Ceramics. J. Advanced Dielectrics. 2020;10(5):2050021.
11. Tumarkin A.V. i dr. Segnetoelektricheskie Plenki Titanata Bariya-Strontsiya na Podlozhke Poluizoliruyushchego Karbida Kremniya. Pis'ma v Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki. 2016;42(8):70—77. (in Russian).
12. Tumarkin A.V. i dr. Kondensatornye Struktury na Osnove Plenok Titanata Strontsiya. Fizika Tverdogo Tela. 2012;54(5):911—914. (in Russian).
13. Kozyrev A. i dr. Volnovodno-shchelevoy 60 GHz Fazovrashchatel' na Osnove (Ba,Sr)TiO3 Segnetoelektricheskoy Plenki. Pis'ma v Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki. 2002;28(6):51—56. (in Russian).
14. Myl'nikov I.L. i dr. Izmereniya Temperaturnyh Zavisimostey Emkosti Kondensatornyh Struktur na Osnove BTO i BST v Rezhime «Ohlazhdenie — Nagrev». Elektronika i Mikroelektronika SVCh. 2022;1:324—329. (in Russian).
15. Pat. № 2700901 RF. Sposob Polucheniya Segnetoelektricheskih Plenok Bа1-хSrхTiO3. Tumarkin A.V., Odinets A.A., Sapego E.N. Byul. Izobret. 2019;27. (in Russian).
16. Tumarkin A.V. i dr. Strukturnye Svoystva Plenochnogo Titanata Bariya-Strontsiya v Zavisimosti ot Tekhnologicheskih Usloviy Rosta Plenok. Fizika Tverdogo Tela. 2015;57(3):540—544. (in Russian).
17. Serebryannikov S.V., Nosova Yu.M. Dielektricheskie Harakteristiki Segnetoelektricheskogo Fazovrashchatelya s Tonkoy Amorfnoy Plenkoy. Elektrichestvo. 2026;1:23—29. (in Russian).
18. Maslova L.A. i dr. Issledovanie Struktury i Dielektricheskih Harakteristik Nanoplenok Titanata Bariya-Strontsiya, Poluchennyh Vysokochastotnym Raspyleniem. Vakuumnaya Tekhnika i Tekhnologiya. 2010;20(2):101—104. (in Russian).
19. Starostenko V.V. i dr. Dinamika Formirovaniya Poverhnosti Provodyashchih Plenok Alyuminiya na Amorfnyh Podlozhkah. Prikladnaya Fizika. 2019;4:60—65. (in Russian).
20. Muhortov V.M., Sysoev V.K., Masychev S.I. Perspektivy Ispol'zovaniya Nanorazmernyh Segnetoelektricheskih Geterostruktur v Kosmicheskom Priborostroenii. Raketno-Kosmicheskoe Priborostroenie i Informatsionnye Sistemy. 2023;10(3):92—102. (in Russian).
21. Muhortov V.M. i dr. Nanorazmernye Segnetoelektricheskie Plenki — Novaya Aktivnaya Sreda dlya Mikroelektroniki. Nauka Yuga Rossii. 2022;18(4):33—43. (in Russian).
22. Dedyk A.I. i dr. Strukturnye i Dielektricheskie Svoystva Keramicheskih i Tonkoplenochnyh Mul'tiferroikov na Osnove Ba0,5Sr0,5TiO3. Elektronika i Mikroelektronika SVCh. 2020;1:41—46. (in Russian).
23. Vendik O.G., Nikol'skiy M.A., Gashinova M.S. Poteri na SVCh v Elektrodah Raspredelennyh i Sosredotochennyh Elementov na Osnove Segnetoelektrikov. Pis'ma v Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki. 2003;29(4):5—13. (in Russian).
24. Ivanova N.Yu ., Komarova I.E., Bondarenko I.B. Elektroradioelementy. Ch. 2.Elektricheskie Kondensatory. SPb.: Un-t ITMO, 2015. (in Russian)
---
For citation: Serebryannikov S.V., Kholodny D.S., Nosova Yu.M., Basarev Yu.S. A Study of the Dielectric Constant Frequency Dependencies of Thin Amorphous BaxSr1–xTiO3 Films for Phased Array Antennas. Bulletin of MPEI. 2026;3:11—18. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-3-11-18
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
