Nume proiect: Obtinerea de filme subtiri fara plumb de (Ba1_xCax)(Ti1-yZry)O3 cu proprietati piezoelectrice inalte pentru microelectronica

Contract nr. 14/2013

Cod proiect: PN-II-RU-TE-2012-3-0467

Denumirea Programului din PN II: Resurse Umane

Subprogram: Proiecte de cercetare pentru stimularea constituirii de tinere echipe de cercetare independente

Autoritatea contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)

Director de proiect: Scarisoreanu Nicu Doinel

Membrii echipei de cercetare:
Andrei Andreea Carmen
Birjega Ruxandra
Colceag Dan
Ion Valetin
Stokker Flavian
Nedelcu Liviu

Coordonator: Institutul National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei

Rezumatul proiectului:
Proiectul propune utilizarea unor tehnici laser, pentru a obține heterostructuri bazate pe un nou material fără plumb pentru utilizare in aplicatii de tip senzori de deformare si capacitori. Filmul subțire din soluție solidă de titanat de bariu si zirconiu (BaZrxTi1-xO3- BZT) cu titanat de bariu si calciu(Ba1-yCa1-yTiO3- BCT), sau BZT - xBCT unde x este procentul molar de BCT, se va depune pe diferite substraturi prin depunere laser asistata de o plasma de radiofrecventa. Straturile vor fi caracterizate prin microscopie de forta atomica, spectroscopie de masă a ionilor secundar, spectroelipsometrie, microscopia electronică de baleiaj, difracție de raze X , masuratori de histerezis feroelectrice, microscopie electronica cu transmisie de inalta rezolutie. Folosind MAPLE (Depunere prin evaporare laser pulsata asistata de o matrice),pulberile de BZT - xBCT vor fi depuse pe diferite suporturi flexibile  pentru aplicații in domeniul senzorilor de deformare. O a doua abordare este propusă pentru obținerea de structuri compacte pe bază de BZT - xBCT cu dimensiuni intre zeci si sute de microni pentru condensatori prin transfer indus laser(LIFT). Avantajele sunt multiple, stratul activ putand fi transferat pe diferite platforme de primire.

Obiectivele proiectului:

Scopul principal al proiectului este de a studia pentru prima data proprietatile  dielectrice, piezoelectrice si feroelectrice a filmelor de BZT – xBCT, unde x este procentul molar de BCT pentru utilizare in aplicatii de tip senzori de deformare si capacitori.

Obiective concrete:

• Optimizarea procesului de depunere a filmelor subtiri de BZT-xBCT pentru integrarea acestora in aplicatii piezoelectrice

• Obtinerea de heterostructuri bazate pe filme subtiri de BZT-xBCT cu properietati piezoelectrice inalte

• Obtinereade dispozitive compacte prin transfer indus cu laserul (LIFT)

REZULTATE SEMNIFICATIVE

1. N.D. Scarisoreanu, F. Craciu, A. Moldovan, V. Ion, R. Birjega, C. Ghica, R.F. Negrea, M. Dinescu, "High Permittivity (1 − x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3 − x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (x = 0.45) Epitaxial Thin Films with Nanoscale Phase Fluctuations", ACS Applied Materials & Interfaces 7, 23984 (2015) - ISI Impact factor: 7.145 - click to download

2. F. Cordero, F. Craciun, M. Dinescu, N. Scarisoreanu, C. Galassi, W. Schranz, V. Soprunuyk, "Elastic response of (1 − x)Ba(Ti0.8Zr0.2)O3 – x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (x = 0.45–0.55) and the role of the intermediate orthorhombic phase in enhancing the piezoelectric coupling", Applied Physics Letters 105, 232904 (2014) - ISI Impact factor: 3.142 - article link

PLAN DE REALIZARE A PROIECTULUI (2014-2016)

Etapa I - 31.12.2013 (click pentru raportul stiintific)

Suma : 298.50 lei

Activitati:

1.1.  Pregătirea țintei; adaptarea set-up-ului experimental și achiziționarea de materiale

1.2.  Investigarea chimica si structurala a țintei de BZT-xBCT

1.3.  Depunerea de filme subtiri de BZT-xBCT prin PLD

1.4.  Depunerea de filme subtiri de BZT-xBCT prin RF-PLD

1.5.  Analizare morfologica AFM, SEM. Analizare structurala XRD. Analizare chimica si optica. Analizare dielectrica si piezoelectrica(PFM)

1.6.  Management, analiza rezultatelor, diseminarea, editare

Rezultate obtinute:

Raportul va cuprinde detalii privind investigarea chimica si structurala a țintei de BZT-xBCT.Se vor  raporta detalii cu privire la obținerea de BZT-xBCT prin PLD și RF-PLD. Crearea paginii de web a proiectului, crearea de rețele.

Obiective:

Stabilirea parametrilor de depunere. Optimizarea procesului de depunere a filmelor subtiri de  BZT-xBCT pentru integrarea acestora i n aplicatii piezoelectrice

Rezultatele obtinute in cadrul acestei etapei I au fost diseminate in cadrul a trei conferite:

1.     INDLAS 2013 – In mai 2013, a fost sustinuta prezentarea orala cu titlul “Pulsed laser deposition growth of lead-free (Ba1−xCax)(ZryTi1−y)O3 thin films and their structural, optical and electrical properties” in cadrul careia au fost prezentate proprietatile filmelor de (Ba1−xCax)(ZryTi1−y)O3 depuse pe substrate de Pt/SiO2/Si prin depunere laser pulsata. In urma investigatiilor structurale si morfologice, s-a observat ca filmele prezinta suprafete netede, cu faza de perovskit pura. De asemenea, acestea au constantă dielectrică moderată (≈ 450) și pierderi dielectrice relativ reduse (≈ 3,5%).

2.     COLA 2013 – In cadrul acestei conferinte a fost diseminat posterul cu titlul “The structural, optical and electrical properties for triple-point composition (Ba1−xCax)(ZryTi1−y)O3 thin films obtained by Pulsed Laser Deposition”. Au fost prezentate rezultatele obtinute in urma depunerii de filme subtiri perovskitice fara plumb de (Ba1−xCax)(ZryTi1−y)O3 cu aplicabilitate in dispozitivele MEMS. Filmele prezintă o constanta dielectrica (≈ 1200) și pierderi dielectrice mai reduse decat cele raportate anterior(≈ 1,5%). Măsurătorile piezoelectrice au aratat un comportament promitator pentru filmele de BCTZ depuse pe Pt / Si.

Etapa II - 31.12.2014 (click pentru raportul stiintific)

Suma: 175.490 lei

Activitati:

1.1  Primele experimente MAPLE

1.2  Filme subtiri de BZT-xBCT obținute cu diferite matrici

1.3  Depuneri MAPLE de filme active piezoelectrice.

1.4  Analize morfologice

1.5  Caracterizarea electrică a filmelor

1.6  Management, analiza rezultatelor, editare

Rezultate estimate:

Raportul va cuprinde rezultatele privind analiza comparativă a filmelor subtiri de BZT-xBCT.

Actualizarea paginii web

Prezentarea la conferinta internationala

Redactare si trimitere spre publicare in reviste cotate ISI a unei lucrari stiintifice. 

Obiective:

Obtinerea de heterostructuri bazate pe filme subtiri de BZT-xBCT cu properietati piezoelectrice inalte.

Prezentari in cadrul unor conferinte:
Optical and electrical properties of (Ba1−xCax)(ZryTi1−y)O3 polycrystalline thin films growth by pulsed laser deposition; Valentin Ion, Nicu Doinel Scarisoreanu, Andreea Andrei, Ruxandra Birjega, Maria Dinescu, Adrian Bercea, Floriana Craciun; 10th International Conference on Physics of Advanced Materials; 22 - 28 septembrie 2014; Iași, Romania – poster
Electrical and optical properties of (Ba1-xCax)(ZryTi1-y)O3 lead-free thin films grown by PLD, A. I. Bercea, V. Ion, N. D. Scarisoreanu, A. Andrei, R. Birjega, M. Dinescu; 4th International Colloquium “Physics of Materials”  13-14 noiembrie 2014, Bucuresti, Romania – poster
Depunerea cu tehnici laser şi analiza filmelor subţiri de Ba1−xCax)(ZryTi1−y)O3; Bercea A, Scarisoreanu N.D., Craciun F., Andrei A., Ion V., Birjega R. and Dinescu M. Sesiunea anuala de comunicari stiintifice a Facultatii de Fizica a Universitatii Bucuresti, Iunie, 2014 – prezentare orala
“Synthesis of lead –free (Ba1−xCax)(ZryTi1−y)O3 thin films by laser ablation and their functional properties.” E-MRS 2014, Lille, Franta – prezentare orala,
“Functional properties of nanostructured lead-free (Ba1−xCax)(ZryTi1−y)O3 thin films produced by laser ablation.” N. D. Scarisoreanu, F. Craciun, A. Andrei, V. Ion , R. Birjega, L.Nedelcu, M. Dinescu, NANOSEA 2014, Marsilia, Franta – poster

Articole:
"Elastic response of (1-x)Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (x = 0.45-0.55) and the role of the intermediate orthorhombic phase in enhancing the piezoelectric coupling", F. Cordero, F. Craciun, M. Dinescu, N. Scarisoreanu, C. Galassi, W. Schranz, V. Soprunyuk, APPLIED PHYSICS LETTERS

Etapa III - 31.12.2015 (click pentru raportul stiintific)

Suma: 200.650 lei

Activitati:

1.1  Masuratori piezoelectrice pe filmele subtiri de BZT-xBCT.

1.2  Primele experimente prin LIFT.

1.3  Experimente LIFT cu / fără strat de eliberare dinamic.

1.4  Primul transfer de monolit de BZT-xBCT pe diferite substraturi

1.5  Construirea unei structuri condensator pe pixeli LIFT.

1.6  Analize PFM, AFM, SEM

1.7  Efectuarea de măsurători electrice pe structurile transferate

1.8  Management, analiza rezultatelor, editarea rezultatelor

 Rezultate estimate:

Actualizarea paginii, crearea de rețele. Prezentarea la o conferinta Internationala.

Publicarea științifică a unui articol într-o revista cotata ISI.

Obiective:

Determinarea proprietatilor piezoelectrice ale heterostructurilor bazate pe filme subtiri de BZT-xBCT. Obtinereade dispozitive compacte prin transfer indus cu laserul (LIFT)

Etapa IV - 30.09.2016 (click pentru raportul stiintific)

Suma: 25.210 lei

Activitati:

1.1  Demonstrarea eficienței procesului - evaluarea proprietăților celor  mai promitatoare probe, comparativ cu rezultatele din literatura

1.2  Management, analiza rezultatelor, editarea rezultatelor

 Rezultate estimate:

Actualizarea paginii, crearea de rețele. Prezentarea la o conferinta Internationala.

Publicarea științifică a unui articol într-o revista cotata ISI.

Raportul final va conține concluziile cu privire la cele mai eficiente materiale și dispozitive piezoelectrice.

Obiective:

Evaluarea proprietatilor functionale ale dispozitivelor compacte pe baza de BCTZ transferate cu laserul

DISEMINARE