Influence of top electrodes on leakage current in K0.5Na0.5NbO3 thin films

In these years, electronic devices are getting more present in our lives and more sophisticated. Specifically, the market for sensors and actuators is exponentially growing each year, and thus piezoelectric materials needed for their production continue gaining more interest. The worldwide piezoelectric materials market, worth approximately USD 30 billions, is currently dominated by lead zirconate titanate (PZT), as it has been for more than 50 years. However, due to recent legislative activity by the European Union aiming to eliminate toxic elements in electronic components by 2025, research in the piezoelectric field has particularly grown interest on lead-free substitutes of the PZT. One of the most promising lead-free piezoelectric materials that aim to replace the market-dominant lead-based one is potassium sodium niobate, (Na, K)NbO3 (KNN), and extensive research has been conducted in order to understand the feasibility of PZT replacement with KNN. This work, carried out at PoliFAB - Politecnico di Milano, and supported by the Joint Research Centre scientific partnership between Politecnico di Milano and STMicroelectronics, aims to study the properties of KNN piezoelectric thin films. Our research focused on KNN thin films grown by pulsed laser deposition (PLD), a versatile deposition technique for oxides with complex stoichiometry, and characterization of the realized samples through various techniques, such as scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and electrical characterization. We then focused on the effect of the top electrodes material, such as Ti, Pt, Ni, and Cr, on the electrical properties of the sample.

Negli ultimi anni, l'elettronica sta prendendo un posto sempre più importante nelle nostre vite, e la complessità dei dispositivi diventa sempre maggiore. In particolare uno dei settori dell'elettronica in maggiore crescita è quello dei sensori ed attuatori. I materiali piezoelettrici consentono la realizzazione di molti di questi dispositivi, e attraggono di conseguenza sempre più interesse. Sono ormai quasi 50 anni che il mercato dei piezoelettrici, che viene stimato valere circa 30 miliardi (USD), è attualmente dominato dal piombo-zirconato di titanio (PZT), materiale quindi su cui è stata fatta moltissima ricerca. Recenti attività legislative dell'Unione Europea sembrano però poter cambiare il futuro del mercato dei piezoelettrici. L'obiettivo dell'EU è infatti di eliminare gli elementi tossici presenti nei componenti elettronici per il 2025, il piombo in particolare. Di conseguenza lo studio per piezoelettrici alternativi al PZT che non contengano piombo ha suscitato particolare interesse sia nella comunità scientifica che nelle aziende. Uno dei materiali più studiati viste le sue promettenti proprietà è il niobato di sodio potassio, (Na, K)NbO3 (KNN), ma nonostante un forte aumento di articoli pubblicati su questo materiale dal 2004, un'effettiva sostituzione del PZT con il KNN nelle applicazioni non sembra ancora possibile Il presente lavoro ha come obiettivo lo studio delle propietà del KNN per la crescita di film sottili. Sviluppato presso il laboratorio PoliFAB - Politecnico di Milano e supportato dalla collaborazione scientifica Joint Research Centre fra Politecnico di Milano ed STMicroelectronics, film sottili di KNN sono depositati tramite pulsed laser deposition (PLD), una semplice tecnica di deposizione per ossidi con complesse stechiometrie, e la caratterizzazione è effettuata tramite varie strumenti e tecniche come il microscopio a scansione elettronica (SEM), spettroscopia EDX, e caratterizzazione elettrica. Successivamente lo studio si è focalizzato sulla dipendenza delle proprietà elettriche dal materiale utilizzato come elettrodo superiore per le misure di corrente, come Ti, Pt, Ni, e Cr.