微波調(diào)諧器件用鈦酸鍶鋇基非線性介質(zhì)薄膜介電調(diào)諧性能的研究.pdf

1、Ba1-xSrxTiO3(BST)薄膜具有非線性介電效應(yīng)，即材料的介電常數(shù)隨著外加電場(chǎng)變化的非線性特性，具有這種特性的材料可用來(lái)制備電可調(diào)微波器件。然而，BST薄膜在高頻段介電損耗較大嚴(yán)重限制了其工程應(yīng)用。目前，進(jìn)行了大量的研究，通過(guò)調(diào)節(jié)其組分和摻雜如Al、Bi、Fe等來(lái)降低介電損耗。通常介電損耗減小的同時(shí)也伴隨著調(diào)諧量的減小，人們用品質(zhì)因子FOM(Figureofmerit)來(lái)綜合評(píng)估電調(diào)諧特性。為了能得到介電常數(shù)適中、介質(zhì)損耗較小和

2、調(diào)諧率較高材料，我們提出開(kāi)發(fā)以鉛代鋇和摻鈣兩種新的鈦酸鍶鋇基固溶體體系。近年來(lái)，鈦酸鍶鉛(PST)薄膜的研究發(fā)展起來(lái)。為了獲得好的織構(gòu)，在單晶LaNiO3(LNO(100)/Si)和以MgO(100)為緩沖層(MgO/Pt/Si(100))基片上長(zhǎng)PST薄膜，然而，探討前驅(qū)體濃度對(duì)PST薄膜織構(gòu)影響的文獻(xiàn)報(bào)道很少。本文采用溶膠—凝膠(Sol-gel)工藝得到不同濃度(0.15M，0.20M，0.25M，0.30M和0.40M)的溶膠，在

3、Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)襯底上制備預(yù)晶化溫度650℃條件下PST(30/70)薄膜。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)溶膠濃度低于0.3M時(shí)，所制備的PST薄膜則明顯地呈現(xiàn)出柱狀生長(zhǎng)：當(dāng)溶膠濃度高于0.3M時(shí)，所制備的PST薄膜則明顯地呈現(xiàn)出層狀生長(zhǎng)。這種織構(gòu)可以優(yōu)化薄膜的介電調(diào)諧性能，這些不同溶膠薄膜中，0.25M溶膠的薄膜具有較高的調(diào)諧且所制得的薄膜致密具有相對(duì)低的介電損耗，故而薄膜的優(yōu)值最大。 薄膜柱狀生長(zhǎng)不僅與溶膠濃度有關(guān)

4、，還與預(yù)晶化溫度有一定聯(lián)系。濃度為0.20M的溶膠薄膜，在500℃預(yù)晶化熱處理后雖然所制得的薄膜剖面致密，但沒(méi)有明顯的柱狀織構(gòu)，經(jīng)700℃預(yù)晶化熱處理后所制得致密的薄膜明顯地呈柱狀結(jié)構(gòu)。但對(duì)于濃度0.40M溶膠薄膜，隨著預(yù)晶化溫度的提高，薄膜層狀結(jié)構(gòu)也逐漸清晰，但預(yù)晶化溫度的提高不能得到柱狀生長(zhǎng)的織構(gòu)。 2002年，Takeuchi等人基于介電損耗(tanδ)和介電常數(shù)(εr)的研究給出了組分大致范圍Ba0.12-0.25Sr0

5、.35-0.47Ca0.32-0.53TiO3和三元體系相圖。同時(shí)，韓國(guó)Chang-IlKim、Sung-GapLee和Sang-HeonLee等對(duì)(Ba0.6-xSr0.4Cax)TiO3(BSCT)(x=0.10,0.15,0.20)陶瓷和厚膜及其Ca低組分三元系統(tǒng)摻雜進(jìn)行了研究。然而，探討三元系BSCT薄膜的文獻(xiàn)報(bào)道很少。 本文采用溶膠—凝膠(Sol-gel)工藝在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)襯底上制備兩

6、組不同鈣含量的(Ba1-x-ySrxCay)TiO3薄膜。要得到好的性能這些組分點(diǎn)必須選取在立方相區(qū)域并在立方相—四方相相界附近；通過(guò)對(duì)高Ca(＞0.3)和低Ca(＜0.3)不同組分的介電常數(shù)、介電損耗、調(diào)諧率測(cè)定，探討了薄膜的成分、結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系。XRD圖譜表明所制得的各種不同組分的BSCT薄膜均能形成了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這些薄膜中，Ba0.25Sr0.35Ca0.4TiO3薄膜的性能最佳，其介電常數(shù)，介電損耗，調(diào)諧率和優(yōu)值(FOM)分