Известия Российской академии наук. Серия физическая, 2024, № 5

ИЗВЕСТИЯ 
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК 
СЕРИЯ  
ФИЗИЧЕСКАЯ
Том 88         № 5         Май         2024
Журнал основан в сентябре 1936 г. 
Выходит 12 раз в год  
ISSN 0367-6765
Журнал издается под руководством Отделения физических наук РАН
Главный редактор
чл.-корр. РАН Д.Р. Хохлов
Редакционная коллегия:
докт. физ.-мат. наук В.В. Воронов (зам. главного редактора)  
чл.-корр. РАН А.В. Наумов (зам. главного редактора)
Редакционный совет:
докт. физ.-мат. наук, проф. Н.С. Зеленская, 
чл.-корр. РАН А.А. Калачев,
академик НАНБ, иностр. чл. РАН С.Я. Килин,  
иностр. чл. РАН, Prof. Dr. G. Leuchs,
чл.-корр. РАН М.В. Либанов, Prof. Dr. T. Plakhotnik,  
Prof. Dr. A. Rebane, академик РАН А.С. Сигов,
докт. физ.-мат. наук Е.В. Хайдуков
Заведующий редакцией 
канд. физ.-мат. наук К.Р. Каримуллин
Адрес: 117342, г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б  
Телефон: +7(499)658-0102
izvphys@gmail.com
 www.izv-fiz.ru
Москва
ФГБУ «Издательство «Наука»
© Российская академия наук, 2023
© Редколлегия журнала “Известия РАН. Серия физическая”,  
     (составитель), 2023

СОДЕРЖАНИЕ
Том 88, номер 5, 2024
Физика сегнетоэлектриков
Влияние поляризации наноразмерных пленок титаната бария-стронция  
на характеристики сегнетоэлектрических фазовращателей СВЧ-диапазона
В.М. Мухортов, С.В. Бирюков, Ю.И. Головко, С.И. Масычев
700
Комплексные электромеханические параметры и особенности микроструктуры  
пористой пьезокерамики системы цирконат-титанат свинца
Н.А. Швецова, И.А. Швецов, Е.И. Петрова, Д.И. Макарьев, М.А. Мараховский,  
А.Н. Рыбянец
705
Сегнетоэлектрические композиты BaTiO3 и SrTiO3 с легкоплавкой добавкой B2O3
А.В. Тумаркин, О.Ю. Синельщикова, Д.И. Цыганкова, Н.Г. Тюрнина, З.Г. Тюрнина,  
А.Г. Гагарин, А.Р. Карамов
710
Влияние диоксида кремния на структуру и диэлектрические свойства титаната бария
Л.Н. Коротков, Н.А. Толстых, Н.Н. Бородин, М.А. Каширин, Р.Г. Анисимов,  
С.В. Попов, М.А. Панкова
716
Процессы переключения и сегнетоэлектрический гистерезис в плотной и пористой  
пьезокерамике системы цирконат-титанат свинца
Н.А. Швецова, И.А. Швецов, Е.И. Петрова, П.А. Абрамов, М.Г. Константинова,  
А.Н. Рыбянец
722
Влияние мольного отношения Sr:Bi:Ta в пленках танталата висмута ‒ стронция SryBi2+xTa2O9
на структуру и электрофизические свойства
Д.А. Киселев, Е.А. Куртева, А.В. Семченко, А.А. Бойко, Л.В. Судник, Г.В. Чучева
728
Пьезоэлектрический гистерезис и релаксационные процессы в сегнетокерамике  
в слабых электрических полях
И.А. Швецов, Н.А. Швецова, Е.И. Петрова, А.Н. Резниченко, Д.И. Макарьев,  
А.Н. Рыбянец
734
Активационный анализ температурной зависимости диэлектрической проницаемости 
сегнетоэлектриков
Д.В. Кузенко
740
Об особенностях фазового перехода первого рода в наноразмерных сегнетоэлектриках
В.Н. Нечаев, А.В. Шуба
747
Влияние высокотемпературного изотермического отжига на оптические свойства  
в кристаллах Gd3AlxGa5-xO12 (x = 1—3) и Gd3Al2Ga3O12:Ce3+
В.М. Касимова, Н.С. Козлова, Е.В. Забелина, О.А. Бузанов, А.С. Быков,  
А.В. Таргонский, А.В. Рогачев
754
Исследование влияния параметров фторидного процесса осаждения вольфрама  
на свойства вольфрамовых самокомпозитов, полученных методом химической пропитки  
из газовой фазы
Т.Н. Букатин, Д.Ю. Карпенков, В.В. Душик, Д.В. Тен
760
Поверхностная сегрегация в бинарных металлических наночастицах: атомистическое 
и термодинамическое моделирование
В.М. Самсонов, А.А. Романов, И.В. Талызин, Д.В. Жигунов, В.В. Пуйтов
767
Структура и свойства марганец-замещенного гидроксиапатита
В.С. Быстров, Е.В. Пармонова, Л.А. Авакян, С.В. Макарова, Н.В. Булина
774

Микротвердость монокристаллов парателлурита
С.В. Молчанов, С.А. Третьяков, И.А. Каплунов, А.И. Иванова
781
Влияние магнитного поля на структуру поверхности и свойства монокристаллов  
германия
К.А. Мариничева, А.И. Иванова, И.А. Каплунов, К.А. Егорова, С.А. Третьяков,  
Е.В. Барабанова, П.А. Ракунов
788
Сканирующая обработка материалов высокочастотными импульсными лазерами 
с использованием акустооптических дефлекторов
А.С. Гук, Л.С. Гликин, В.Е. Рогалин, С.А. Филин, И.А. Каплунов
794
Технологические способы снижения температуры спекания керамики на основе  
кубического пирохлора
М.А. Мараховский, М.В. Таланов
800
Симметрийный анализ спектров комбинационного рассеяния кристаллов  
на основании их угловых зависимостей
Е.В. Головкина, С.Н. Крылова, A.Н. Втюрин, А.С. Крылов
805
Магнитные свойства сплавов многокомпонентной системы (Er1-xYx)0.8Sm0.2Fe2
З.С. Умхаева, А.Ю. Карпенков, И.С. Терёшина, Н.Ю. Панкратов, И.М. Алиев
812
Влияние магнитного поля на электрическую поляризацию в малых магнитных частицах
Т.С. Шапошникова, Р.Ф. Мамин
817
Скачкообразные процессы перемагничивания в монокристаллах сплава GdCo4Cu
Ю.В. Кузнецова, О.Б. Дегтева, А.Ю. Карпенков, Е.М. Семенова, М.А. Белявский,  
Е.Б. Митина
823
Магнитные свойства соединений Y2(FexCo1-x)17
А.И. Синкевич, М.Б. Ляхова, А.Ю. Карпенков, Е.М. Семенова, Д.Ю. Карпенков,  
Ю.Г. Пастушенков
829
Влияние деформации на магнитные свойства сплавов Гейслера
А.И. Иванова, А.Ю. Карпенков, Е.М. Семенова, И.И. Мусабиров, А.Д. Васильев
835
Механизмы магнитного гистерезиса гетерогенных сплавов типа Gd-Zr-Co-Cu-Fe
Е.М. Семенова, М.Б. Ляхова, П.А. Ракунов, А.Ю. Карпенков, Ю.В. Конюхов
840

CONTENTS
Vol. 88, No. 5, 2024
Physics of ferroelectrics
Influence of polarization of nanosized films of barium-strontium titanate  
on the characteristics of ferroelectric phase shifters of the microwave range
V.M. Mukhortov, S.V. Biryukov, Y.I. Golovko, S.I. Masychev
700
Complex electro-mechanical parameters and features of the microstructure of porous  
piezoceramics of the lead zirconate-titanate system
N.A. Shvetsova, I.A. Shvetsov, E.I. Petrova, D.I. Makarev, M.A. Marakhovsky,  
A.N. Rybyanets
705
Ferroelectric composites BaTiO3 and SrTiO3 with a fusible additive B2O3
A.V. Tumarkin, O.Y. Sinelshchikova, D.I. Zigankova, N.G. Tyurnina, Z.G. Tyurnina,  
A.G. Gagarin, A.R. Karamov
710
Influence of silicon dioxide on the structure and dielectric properties of barium titanate
L.N. Korotkov, N.A. Tolstykh, N.N. Borodin, M.A. Kashirin, R.G. Anisimov,  
S.V. Popov, M.A. Pankova
716
Switching processes and ferroelectric hysteresis in dense and porous piezoceramics
of the lead zirconate-titanate system
N.A. Shvetsova, I.A. Shvetsov, E.I. Petrova, P.A. Abramov, M.G. Konstantinova,  
A.N. Rybyanets
722
Influence of the molar ratio Sr:Bi:Ta in bismuth-strontium tantalum films SryBi2+xTa2O9
on structure and electrophysical properties
D.A. Kiselev, E.A. Kurteva, A.V. Semchenko, A.A. Boiko, L.V. Sudnik, G.V. Chucheva
728
Piezoelectric hysteresis and relaxation processes in ferroelectric ceramics
in weak electric fields
I.A. Shvetsov, N.A. Shvetsova, E.I. Petrova, A.N. Reznichenko, D.I. Makarev,  
A.N. Rybyanets
734
Activation analysis of the temperature dependence of the dielectric constant of ferroelectrics
D.V. Kuzenko
740
On the features of the first order phase transition in nanosized ferroelectrics
V.N. Nechaev, A.V. Shuba
747
Effect of high temperature isothermal annealing on optical properties  
of Gd3AlxGa5-xO12 (x = 1—3) and Gd3Al2Ga3O12:Ce3+ crystals
V.M. Kasimova, N.S. Kozlova, E.V. Zabelina, O.A. Buzanov, A.S. Bykov, A.V. Targonsky,  
A.V. Rogachev
754
The influence of the fluoride process of tungsten deposition parameters  
on the properties of tungsten self-composites obtained by chemical vapor infiltration
T.N. Bukatin, D. Yu. Karpenkov, V.V. Dushik, D.V. Ten
760
Surface segregation in binary metallic nanoparticles: atomistic and thermodynamic simulations
V.M. Samsonov, A.A. Romanov, I.V. Talyzin, D.V. Zhigunov, V.V. Puitov
767
Structure and properties of manganese-substituted hydroxyapatite
V.S. Bystrov, E.V. Parmonova, L.A. Avakyan, S.V. Makarova, N.V. Bulina
774

Microhardness of single crystals of paratellurite
S.V. Molchanov, S.A. Tretiakov, I.A. Kaplunov, A.I. Ivanova
781
Influence of magnetic field on the surface structure and properties of germanium  
single crystals
K.A. Marinicheva, A.I. Ivanova, I.A. Kaplunov, K.A. Egorova, S.A. Tretiakov,  
E.V. Barabanova, P.A. Rakunov
788
Scanning processing of materials with high-frequency pulsed lasers using  
acousto-optic deflectors
А.S. Guk, V.Е. Rogalin, S.А. Filin, I.А. Kaplunov
794
Technological methods for reducing the sintering temperature of ceramics based  
on the BZN cubic pyrochlore system
М.А. Marakhovskiy, М.V. Talanov
800
Symmetry analysis of Raman spectra of crystals based on angular dependencies.
E.V. Golovkina, S.N. Krylova, A.N. Vtyurin, A.S. Krylov
805
Magnetic properties of multicomponent system alloys (Er1-xYx)0.8Sm0.2Fe2
Z.S. Umkhaeva, A. Yu. Karpenkov, N. Yu. Pankratov, I.S. Tereshina, I.M. Aliev
812
Influence of magnetic field on electric polarization in small magnetic particles
T.S. Shaposhnikova, R.F. Mamin
817
Abrupt processes of remagnetization reversal processes in single crystals of GdCo4Cu alloy
Yu.V. Kuznetsova, O.B. Degteva, A.Y. Karpenkov, Е.М. Semenova, M.A. Belyavsky,  
E.B. Mitina
823
Magnetic properties of the Y2(FexCo1-x)17 compounds
A.I. Sinkevich, M.B. Lyakhova, A. Yu. Karpenkov, E.M. Semenova, D. Yu. Karpenkov,  
Yu.G. Pastushenkov
829
Effect of deformation on magnetic properties of Heusler alloys
A.I. Ivanova, A. Yu. Karpenkov, E.M. Semenova, I.I. Musabirov, A.D. Vasiliev
835
A mechanism of magnetic hysteresis in heterogeneous Gd-Zr-Co-Cu-Fe alloys
E.M. Semenova, M.B. Lyakhova, P.A. Rakunov, A. Yu. Karpenkov, Yu.V. Konyukhov
840

Физика 
сегнетоэлектриков
Редактор тематического выпуска
докт. физ.-мат. наук И. П. Пронин

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2024, том 88, № 5,  с. 700–704
700
ВВЕДЕНИЕ
Для разработки современных радиоэлектронных 
систем наземного и космического базирования востребованы антенны с управляемой диаграммой направленности (так называемые фазированные антенные 
решетки — ФАР). Базовый элемент ФАР — фазовращатель, способный обеспечить максимально высокое 
быстродействие, малую мощность в цепях управления, возможность работать на высоких уровнях СВЧ 
мощности. При этом необходимо добиться низкой 
стоимости массового производства фазовращателей, 
поскольку стоимость именно этого элемента в основном определяет общую цену изготовления ФАР. Из-за 
физических ограничений невозможно достичь сочетания выше указанных свойств для существующих ферритовых и полупроводниковых материалов [1]. В то же 
время современный уровень технологии получения 
микроэлектронных сегнетоэлектрических элементов 
позволяет осуществить производство фазовращателей 
для ФАР, удовлетворяющее перечисленным выше 
требованиям. Предложены конструкции и продемонстрированы характеристики реализованных макетов 
сегнетоэлектрических фазовращателей на основе 
микрополосковых и щелевых линий, копланарных 
волноводов и копланарных полосковых линий [2—6].
Однако возрастание требований к новым конструкциям и дальнейшее улучшение характеристик 
управляемых устройств СВЧ и миллиметрового диапазона длин волн стимулируют продолжение работы 
по совершенствованию сегнетоэлектрических элементов, применяемых в радиоэлектронных системах. Для 
оптимизации уже известных и разработки новых конструкций фазовращателей необходимо доскональное 
изучение основных физических аспектов, определяющих диэлектрические свойства тонких сегнетоэлектрических пленок, в частности динамики переключения 
поляризации. Быстродействие фазовращателя определяет, например, количество сопровождаемых целей 
ФАР, которыми, в частности, могут быть искусственные 
спутники Земли. Но быстродействие связано с явлением переключения поляризации в тонких сегнетоэлектрических пленках, а процесс переполяризации влияет 
на уровень вносимых потерь устройства.
Сегнетоэлектрические тонкие плёнки титаната 
бария-стронция (BST) обладают высокой диэлектрической проницаемостью при малых диэлектрических 
потерях и токах утечки. Они не подвержены усталости 
или старению и обладают стабильными характеристиками в широком диапазоне температур. Поэтому 
на протяжении, по крайней мере, трех последних 
десятилетий активно проводятся исследования их 
электрофизических характеристик с целью применения этих плёнок в различных областях микроэлектроники и оптоэлектроники, а также в качестве 
элементов в высокочастотных СВЧ устройствах (в том 
числе фазовращателях для ФАР) [7—15].
Наноразмерные сегнетоэлектрические гетероструктуры имеют перспективы применения в космическом 
DOI: 10.31857/S0367676524050013, EDN: OYESGE 
Ключевые слова: сегнетоэлектрическая пленка, управляемость, плоский конденсатор, сегнетоэлектрический фазовращатель
Рассмотрены особенности поведения поляризации и управляемости тонких сегнетоэлектрических 
пленок титаната бария — стронция в широком температурном интервале для двух групп, отличающихся условиями получения. Отмечена опосредованная связь коэффициента управляемости пленочных конденсаторов с поляризацией пленок.
Поступила в редакцию 04.12.2023
После доработки 20.12.2023
Принята к публикации 29.01.2024
1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр 
Южный научный центр Российской академии наук», Ростов-на-Дону, Россия
*E-mail: mukhortov1944@mail.ru
© 2024 г.    В.М. Мухортов1,*, С.В. Бирюков1, Ю.И. Головко1, С.И. Масычев1
ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК 
ТИТАНАТА БАРИЯ-СТРОНЦИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ 
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ СВЧ ДИАПАЗОНА
УДК 537.871.5

ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК ТИТАНАТА...
701
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ
том 88
№ 5
2024
приборостроении [16], но требуют дальнейшего исследования их свойств. Цель работы—исследование процесса переключения поляризации в планарных структурах с наноразмерными сегнетоэлектрическими пленками титаната бария—стронция как одного из факторов, 
определяющих характеристики фазовращателей.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Исследование особенностей переключения поляризации в планарных структурах с наноразмерными 
сегнетоэлектрическими пленками (Ba0.8Sr0.2) TiO3
проводилось с помощью методики Сойера — Тауэра 
в широком диапазоне напряжений и частот переключающего поля по методике аналогичной [17]. Толщина 
измеряемых образцов составляла величину ∼ 40 нм.
В схеме Сойера — Тауэра при регистрации напряжения на эталонном конденсаторе, пропорционального величине поляризации тестируемого образца, 
в случае планарной геометрии электродов возникает 
ряд технических трудностей. Расширение рабочего 
диапазона исследуемых сигналов в низкочастотную 
область требует увеличения постоянной времени W
входной цепи измерительного усилителя:
W Сэт
вх
R ,
(1)
где Сэт — емкость эталонного конденсатора в схеме 
Сойера — Тауэра, Rвх — входное сопротивление измерительного усилителя.
Для проведения корректных измерений постоянная времени W должна существенно (на два — три 
порядка) превышать период самого низкочастотного сигнала. Максимальное значение величины 
Rвх определяется токами утечки первого каскада 
входной микросхемы измерительного усилителя 
и не может превышать определенной, зависящей 
от типа применяемых комплектующих, величины. 
В нашем случае при использовании микросхемы 
AD549 фирмы Analog Device Rвх   100 ГОм. Исходя 
из этой величины Rвх, выбрано значение Сэт   1 мкФ, 
что позволяет достоверно обеспечить нижнее значение измерительной частоты f ∼ 0.005 Гц. Но большое значение Сэт приводит к тому, что величина 
измеряемого на этом конденсаторе напряжения, 
пропорционального величине заряда поляризации, 
становится недопустимо малой. Как пример, при 
величине заряда переполяризации q   1 пКл, измеряемое напряжение на эталонном конденсаторе будет составлять величину U   1 мкВ, что сопоставимо 
с уровнем собственных шумов усилителя. Для повышения уровня регистрируемого сигнала необходимо 
увеличить значение переключаемой поляризации. 
Достигается это путем увеличения эффективной 
площади сбора заряда с планарного конденсатора, 
то есть увеличением числа и длины штырей встречно-штыревого преобразователя (ВШП). Следствием 
подобного увеличения будет рост как величины переключаемой поляризации, так и емкости образца.
Для проведения электроизмерений методами 
«взрывной» фотолитографии на поверхности плёнки 
сформирована топология планарных конденсаторов 
в виде структуры встречно-штыревых преобразователей. Топология планарного конденсатора (ВШП) 
показана на рисунке 1.
Исследуемые образцы по данным рентгенографии 
условно можно разделить на две группы: с меньшим 
(c ∼ 0.3989 нм) и большим (c ∼ 0.4037 нм) значениями 
параметра элементарной ячейки. Конкретное значение параметра элементарной ячейки определялось 
условиями осаждения (либо слоевой, либо блочный 
механизм роста). Меньший параметр элементарной ячейки (c ∼ 0.3989 нм) соответствовал пленкам, 
осажденным по механизму Франка— Ван дер Мерве 
(слоевой механизм роста). Больший параметр (c ∼
0.4037 нм) соответствовал механизму осаждения 
Вольмера — Вебера (блочный механизм роста) [17]. 
В остальном (материал, толщина и размер подложки MgO, толщина пленок (Ba0.8Sr0.2) TiO3) образцы 
обеих групп не отличались. Монокристаллические 
пленки Ba0.8Sr0.2TiO3 осаждались на технологической установке «ПЛАЗМА-50 СЭ» распылением 
стехиометрической мишени состава Ba0.8Sr0.2TiO3
по методике, описанной в [17].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
При проведении измерений установлено, что 
образцы с меньшим значением параметра ячейки 
(c ∼ 0.3989 нм) обладают более четко выраженной 
зависимостью поляризации от смещающего поля. 
Петля гистерезиса такой пленки насыщена, спонтанная (реориентационная) поляризация составляет 
величину Pr ∼ 15 мкКл·см–2, остаточная поляризация 
Количество штырей — 834
0.5 мм
3 мкм
3 мкм
5 мм
5 мм
Рис. 1. Топология планарного конденсатора (ВШП).

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ
том 88
№ 5
2024
702
МУХОРТОВ и др.
P0 ∼ (5—7) мкКл·см–2. Это указывает на то, что пленка находится в сегнетоэлектрической фазе. В то же 
время для другой группы образцов с большим значением параметра ячейки (c ∼ 0.4037 нм) характерно 
практически полное отсутствие остаточной поляризации при комнатной температуре.
Изучение температурных зависимостей поляризации пленок подтверждает сильное размытие 
фазового перехода (для объемного образца аналогичного состава Тс ∼ 80 оС). Остаточная поляризация 
монотонно возрастает при понижении температуры 
(рис. 2).
В ходе диэлектрических измерений обнаружена 
четкая корреляция между структурными и электрофизическими свойствами пленок. Коэффициент 
управляемости K (K = U0 /Umax) при напряженности 
внешнего поля Е ∼ 100 кВ·см-1 составляет для этих 
групп пленок величину K t 2.5 и K ∼ 1.1 соответственно (рис. 3). Из этого следует, что применение 
наноразмерных пленок Ba0.8Sr0.2TiO3, осажденных 
на подложки MgO по механизму Вольмера — Вебера (блочный механизм роста), для формирования 
планарных конденсаторов не имеет смысла в виду 
их крайне низкого коэффициента управления.
Зависимостей величины поляризации и формы 
петель диэлектрического гистерезиса от частоты 
внешнего переполяризующего поля в диапазоне 
(10–2—103) Гц для пленок, осажденных по механизму 
Франка — Ван дер Мерве (слоевой механизм роста) 
не обнаружено, что отличает пленки с планарными 
электродами от структур металл-диэлектрик-металл 
с сегнетоэлектрическими пленками. Обнаруженная 
особенность свидетельствует о том, что критические 
частоты переключения поляризации пленок, осажденных на диэлектрик MgO, лежат за пределами 
нашего измерительного диапазона.
Сопоставление результатов, приведенных на рисунках 2 и 3, свидетельствует о наличии некой опосредованной связи (через параметр элементарной 
ячейки с) между коэффициентом управляемости 
и поляризацией пленок. Физические механизмы, 
определяющие отмеченную опосредованную связь, 
подлежат более детальному изучению по методике 
аналогичной [18]. В указанной работе проведено 
экспериментальное исследование сверхбыстрого 
нелинейно-оптического отклика сегнетоэлектрических пленок Ba0.8Sr0.2TiO3, осажденных на подложки 
MgO, на электрическое поле импульсов, длительностью порядка 100 фс. Приведенные выше результаты 
учтены при проектировании фазовращателя на основе монокристаллических наноразмерных пленок 
Ba0.8Sr0.2TiO3.
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 
ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ
Для верификации полученных результатов реализован лабораторный макет фазовращателя, в конструкции которого использованы планарные конденсаторы на основе осажденных по механизму 
Франка — Ван дер Мерве (слоевой механизм роста) 
наноразмерных пленок Ba0.8Sr0.2TiO3, находящихся 
в сегнетоэлектрической фазе. Использование сегнетоэлектрических планарных конденсаторов в конструкциях фазовращателей имеет смысл, например 
на частотах ниже 10 ГГц, поскольку при уменьшении 
частоты длина фазовращателей, реализованных на основе элементов с распределенными параметрами, 
катастрофически увеличивается. Размер устройства 
можно существенно снизить путем использования 
схемы на сосредоточенных элементах. Четвертьволновый отрезок передающей линии, обеспечивающей 
c = 0.3989 нм
c = 0.4037 нм
0
2
4
6
8
16
14
12
10
T, ° C
P, мКл · см‒2
50
0
100
‒50
‒100
‒150
‒200
Рис. 2. Температурные зависимости остаточной поляризации (Р) для образцов с различными значениями параметра элементарной ячейки (с).
1.0
1.2
2.0
1.8
1.4
1.6
2.2
2.4
2.6
E, кВ · см‒1
K
50
0
100
‒50
‒100
‒150
150
c = 0.3989 нм
c = 0.4037 нм
Рис. 3. Зависимости коэффициентов управляемости 
(К) от напряженности приложенного поля смещения (Е) для образцов с различным параметром кристаллической решетки (с).

ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК ТИТАНАТА...
703
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ
том 88
№ 5
2024
фазовый сдвиг 90о, можно заменить фильтром низкой частоты (ФНЧ) на сосредоточенных элементах 
L и С. Используя в качестве конденсатора С управляемый сегнетоэлектрический конденсатор и подавая 
на него постоянное напряжение смещения, можно 
изменять параметры линии передачи, в частности, 
фазовую скорость и характеристический импеданс. 
Коэффициент управляемости планарного конденсатора K (K = U0 /Umax) для используемых нами пленок 
Ba0.8Sr0.2TiO3 ~ 2.5. Путем каскадного последовательного соединения ФНЧ можно получить требуемый 
фазовый сдвиг 360о. Расчеты для топологии конденсатора и индуктивности проводились методами 
теории цепей. При рабочей частоте 1.7 ГГц элементы 
эквивалентной схемы должны составлять: емкость 
С = 1.59 пФ, индуктивность L = 3.98 нГн. Такие параметры С и L для одной элементарной ячейки ФНЧ 
вносят фазовый сдвиг в 28о. Для обеспечения фазового сдвига на 360° фазовращатель должен состоять 
из 13 последовательно соединенных ячеек ФНЧ с топологией, приведенной на рисунке 4.
Использовалась гетероструктура, состоящая 
из подложки MgO (100) толщиной 0.5 мм, и пленки Ba0.8Sr0.2TiO3 толщиной 40 нм. В фазовращателе 
реализована емкость в виде планарного конденсатора 
с конструкцией, показанной на вставке рисунка 4.
Топология схемы фазовращателя формировалась 
методом взрывной фотолитографии. На поверхности 
плёнки была сформирована фоторезистивная маска, 
на которую методом магнетронного напыления наносился алюминий толщиной 1.5 мкм. Измерения 
S-параметров проводилось на векторном анализаторе 
цепей Agilent E5071B в диапазоне частот от 30 МГц 
до 2 ГГц. Постоянное управляющее напряжение 
подавалось на конденсаторы непосредственно через центральный проводник копланарного волновода с помощью устройств подачи смещения (bias 
tee). Результаты измерений показали, что на частоте 
1.7 ГГц фазовращатель обеспечивает фазовый сдвиг 
340о при управляющем напряжении 30 В и вносимых 
потерях от 8 дБ (0 В) до 4.5 дБ (30 В). Фактор качества ~ 50о·дБ–1. При этом на частоте 1.7 ГГц КСВН 
по входу и выходу не превышает значения 1.32 при 
любом значении управляющего напряжения, лежащего в диапазоне от 0 до 30 В.
Диэлектрические потери в пленках определяются 
качеством кристаллической структуры, переходным 
слоем между пленкой и подложкой, стехиометрией 
компонент. Быстродействие фазовращателя определяется длительностью процесса переполяризации. 
Для поликристаллических пленок возможно замедление процесса переполяризации за счет взаимодействия междоменных границ и наличия дефектов 
кристаллической решетки материала.
Структурное совершенство обычно используемых 
в фазовращателях поликристаллических пленок 
невысокое. Оптимизация фазовращателя возможна 
при переходе к гетероэпитаксиальным структурам 
за счет их более высокого структурного совершенства. Достаточно большая величина вносимых потерь 
в реализованном фазовращателе обусловлена малой 
толщиной используемых проводников. Толщину проводников следует делать равной утроенной толщине 
скин-слоя используемого металла на нижней частоте рабочего диапазона. На частоте 1.7 ГГц толщина 
скин-слоя для алюминия составляет примерно 2 мкм. 
В реализованном фазовращателе толщина металлизации 1.5 мкм (сделать ее больше не позволили технологические возможности). Кроме того, вносимые 
потери могут быть существенно снижены заменой 
Al на обычно используемые в мировой практике 
Ti (70 нм) + Au (3 мкм). Данная схема металлизации 
является основной во всех ведущих зарубежных фирмах, разрабатывающих данные устройства. Однако 
отсутствие технологического обеспечения по созданию металлизации на основе золота с подслоем 
титана не позволило сделать это в настоящей работе.
К преимуществам разработанного фазовращателя 
относятся низкие токи потребления (ниже 1 мкА) 
и точность установки фазы, зависящая от точности 
установки управляющего напряжения. Управляющее 
напряжение может быть снижено (менее 20 В) при 
использовании встречноштыревых конденсаторов 
с зазором 1 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сформированы две группы монокристаллических наноразмерных сегнетоэлектрических пленок 
титаната бария — стронция Ba0.8Sr0.2TiO3, отличающихся условиями получения. Одна группа, полученная путем осаждения пленок по механизму 
Рис. 4. Топология фазовращателя, в конструкции 
которого использованы планарные конденсаторы 
на основе наноразмерных пленок Ba0.8Sr0.2TiO3.
820 мкм
16 мкм
Навесной
мост
80 мкм
8 мм
273 мкм
20 мм
1.5 мм
0.4 мм