Bi摻雜PST薄膜的制備及介電可調(diào)性能研究.pdf

1、微波可調(diào)介電材料在微波可調(diào)元器件上有著廣闊的應(yīng)用背景，如相控陣天線上的移相器，諧振器，濾波器等。就研究體系而言，目前主要集中在鈣鈦礦相鐵電材料，如鈦酸鍶鋇(BST)及其摻雜系列。由于各種薄膜制備技術(shù)均有其自身的不足，加之影響薄膜質(zhì)量的工藝因素較多，迄今為之，尚未獲得同時具備高調(diào)諧性和低損耗的材料。最近Cross等發(fā)現(xiàn)鈦酸鍶鉛(PST)陶瓷具有較高可調(diào)性和相當(dāng)?shù)偷慕殡姄p耗，是一種非常適用于電場調(diào)節(jié)元件的材料。與BST相比，特別作為薄膜材料

2、，PST的鐵電臨界尺寸較小，晶化溫度較低，制備工藝與Si微電子工藝兼容，更能夠滿足高性能的Si基集成電路的需要，對推動現(xiàn)代器件發(fā)展的小型化和集成化具有十分重要的意義。 本文全面綜述了微波可調(diào)鐵電薄膜材料的研究發(fā)展，總結(jié)了溶膠凝膠技術(shù)在制備此類材料中的應(yīng)用，簡要介紹了鐵電材料微波可調(diào)的基本原理及其應(yīng)用。本文采用溶膠凝膠鍍膜技術(shù)，通過Bi離子摻雜同時改進熱處理工藝等手段，在ITO基板上制備了多晶立方鈣鈦礦相(Pb0.4Sr06)1-

3、3x/2BixTiO3(以下稱PST)薄膜、PST/Bi2Ti2O7復(fù)相薄膜、Bi2Ti2O7單相薄膜。通過XRD研究其結(jié)構(gòu)和晶相形成，通過掃描電子顯微鏡觀察形貌，利用高精度阻抗分析儀對薄膜樣品的介電性能進行了測量。具體研究內(nèi)容及結(jié)論如下： 適量的Bi摻雜(x=0.04～0.06)可以使單一鈣鈦礦相薄膜中晶粒尺寸較大，從而有助于薄膜介電性能尤其是可調(diào)性和優(yōu)值的提高。同時發(fā)現(xiàn)，在Bi摻雜量較小時，鈣鈦礦薄膜的居里溫度主要由薄膜中的

4、Pb/Sr控制，當(dāng)薄膜處于鐵電相、在其居里溫度附近，薄膜具有大的可調(diào)性。在熱處理過程中，快速熱處理過程可以使薄膜產(chǎn)生比相應(yīng)溫度平衡態(tài)析晶時更多的晶相量。這種高晶相含量薄膜在一定條件下，尤其在表面有分解和再結(jié)晶的趨勢。 當(dāng)Bi摻雜量很大時，薄膜不再以單一鈣鈦礦相存在，而是得到了鈣鈦礦和焦綠石相共存的復(fù)相薄膜。Bi離子在鈣鈦礦相和焦綠石相的形成中分別起到了相反的作用。Bi在鈣鈦礦相晶格中的固溶，使得鈣鈦礦相的穩(wěn)定性下降，形成能力降低

5、；Bi離子吸引O離子形成焦綠石相中的Bi2O四面體網(wǎng)絡(luò)。同時發(fā)現(xiàn)，上述兩相的存在可以相互穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。 對PST/Bi2Ti2O7復(fù)相薄膜的介電性能研究后發(fā)現(xiàn)，由于兩相具有不同的介電馳豫時間，而使得復(fù)相薄膜的介電馳豫行為偏離了理想的德拜馳豫。隨著Bi離子濃度的增加，具有較低介電常數(shù)和較低介電損耗的焦綠石相的不斷增加，復(fù)相薄膜的介電常數(shù)和介電損耗而不斷減小。由于兩相的互溶，復(fù)相薄膜的介電常數(shù)高于物理混合效應(yīng)，而介電損耗低于