Growth Optimization and Role of Top Electrode Materials in KNN Thin Film Grown by Industrial Magnetron Sputtering

This thesis focuses on the growth and characterization of potassium sodium niobate (KNN) thin films, a promising lead-free piezoelectric material, using industrial magnetron sputtering techniques. In light of environmental concerns and RoHS regulations limiting the use of lead-based materials such as lead titanate zirconate (PZT), KNN represents a viable alternative. However, optimizing its ferroelectric and piezoelectric properties for industrial applications poses significant challenges, particularly in achieving the desired crystalline orientation, minimizing leakage currents and achieving satisfying piezo and ferroelectric properties. The research hereby presented explores the role of several deposition parameters, including plasma conditions, deposition and annealing temperatures, and top electrode materials (Pt and Pt/$\text{RuO}_{2}$) on the ferroelectric properties of KNN thin films: a systemtic study was conducted to optimize the growth of KNN films with the desired orientation and to achieve a pristine ferroelectric response. The findings of this work lay the foundation for future research aimed at fine-tuning the deposition conditions and integrating KNN thin films into industrial devices, potentially enabling scalable production of lead-free piezoelectric films for next-generation technologies on an industrial scale.

Questa tesi si concentra sulla crescita e caratterizzazione di film sottili di niobato di sodio e potassio (KNN), un promettente materiale piezoelettrico senza piombo, depositato tramite magnetron sputtering su un macchinario industriale. Alla luce delle preoccupazioni ambientali e delle normative RoHS che limitano l'utilizzo di materiali a base di piombo, come il piombo zirconato titanato (PZT), il KNN rappresenta una valida alternativa. Tuttavia, l'ottimizzazione delle sue proprietà ferroelettriche e piezoelettriche per applicazioni industriali pone sfide significative, in particolare nell'ottenimento dell'orientazione cristallina desiderata, nella riduzione delle correnti di leakage e nel raggiungimento di proprietà piezoelettriche e ferroelettriche soddisfacenti. La qui presente ricerca esplora il ruolo di diversi parametri di deposizione, comprese le condizioni del plasma, le temperature di deposizione e annealing, e i materiali dei elettrodi superiori (Pt e Pt/$\text{RuO}_{2}$), sulle proprietà ferroelettriche dei film di KNN. È stato quindi condotto uno studio sistematico per ottimizzare la crescita dei film di KNN con l'orientazione desiderata e per ottenere una risposta ferroelettrica ottimale. I risultati di questo lavoro gettano le basi per ricerche future finalizzate al perfezionamento delle condizioni di deposizione e all'integrazione dei film sottili di KNN in dispositivi elettronici, potenzialmente abilitando una produzione su scala industriale di film piezoelettrici senza piombo per le tecnologie di nuova generazione.