高濃度交替摻雜BST薄膜的制備及介電性能.pdf

1、鈦酸鍶鋇(BST)薄膜作為可以替代鐵氧體和半導(dǎo)體的主要候選材料,在諸多領(lǐng)域尤其是微波調(diào)諧領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,成為近十多年來的一個研究焦點。但是,要實現(xiàn)BST薄膜的應(yīng)用尤其是微波調(diào)諧領(lǐng)域的應(yīng)用,要求BST薄膜同時具有低的介電常數(shù)、高的介電調(diào)諧率、低的介電損耗、高的優(yōu)質(zhì)因子等優(yōu)異的綜合介電性能,必須克服純BST薄膜這些介電性能同步變化的固有局限性。本研究團(tuán)隊在前期研究中對BST薄膜進(jìn)行了釔(Y)/錳(Mn)交替摻雜以及鉀(K)/鎂(Mg

2、)交替摻雜,取得了巨大的研究進(jìn)展,在很大程度上克服了BST薄膜該固有局限性。但是,對于BST薄膜來說,上述交替摻雜僅僅是涉及一個嶄新研究領(lǐng)域的開始,還必須進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究才能揭示其機(jī)理規(guī)律,也才能獲取更加優(yōu)異的綜合介電調(diào)諧性能。因此,本論文在前期研究基礎(chǔ)上,主要就鉀(K)鈰(Ce)交替摻雜BST薄膜和鉀(K)錳(Mn)交替摻雜BST薄膜有關(guān)摻雜濃度及摻雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性研究,以期充分發(fā)揮交替摻雜的優(yōu)勢,獲得所需的優(yōu)異BST薄膜以滿足微波

3、調(diào)諧應(yīng)用需要。
　　主要利用XRD、SEM以及HP4294A阻抗分析儀研究了高濃度(摻雜濃度超過5mol％)交替摻雜BST薄膜的結(jié)構(gòu)及介電性能,取得了以下創(chuàng)新性成果:
　　1.高濃度交替摻雜使BST薄膜在低偏壓下顯示高調(diào)諧率。其中,Ce(1％)摻雜BST薄膜與K(7.5％)摻雜BST薄膜在±10V偏壓下的調(diào)諧率分別為52.5％、50％,介電損耗分別0.032、0.032;而Ce(1％)/K(7.5％)交替摻雜BST薄膜在±1

4、0V偏壓下的調(diào)諧率高達(dá)62.7％,介電損耗為0.033,表現(xiàn)出良好的調(diào)諧性能。
　　2.交替摻雜濃度的差異改進(jìn)使BST薄膜的介電損耗大幅度降低。保持K摻雜濃度為5mol％,隨著Ce摻雜濃度的增大,Ce/K交替摻雜BST薄膜的晶粒不斷變小,介電損耗不斷降低,當(dāng)Ce摻雜濃度從0.5mol％增至4mol％時,介電損耗從0.046降至0.025;保持K摻雜濃度為5mol％,隨Mn摻雜濃度的增大,Mn/K交替摻雜BST薄膜的晶粒及介電損耗先

5、減小后增大,當(dāng)Mn摻雜濃度為5mol％時具有最小的晶粒及最低的介電損耗,在±20V偏壓范圍內(nèi)介電損耗不超過0.021,調(diào)諧率為54.1％,優(yōu)質(zhì)因子達(dá)到25.8;保持Mn摻雜濃度為5mol％,隨著K摻雜濃度的增大, Mn/K交替摻雜BST薄膜的介電損耗先減小后增大,當(dāng)K摻雜濃度為15mol％時具有最低的介電損耗,在±20V偏壓范圍內(nèi)介電損耗不超過0.016,調(diào)諧率為45.9％,優(yōu)質(zhì)因子達(dá)到28.7。
　　3.摻雜結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計進(jìn)一步

6、優(yōu)化BST薄膜的綜合介電性能。以K摻雜薄膜作為首層,可促進(jìn)薄膜內(nèi)部晶粒長大;以Mn摻雜薄膜作為表層,可減少薄膜表面孔洞及裂紋。與Mn/K交替摻雜相比,K/Mn交替摻雜使薄膜具有更優(yōu)異的綜合介電性能。其中, K(10％)/Mn(5％)交替摻雜薄膜在±40V偏壓范圍內(nèi)損耗為0.007~0.01,介電常數(shù)適中偏小(446),調(diào)諧率為41.8％,優(yōu)質(zhì)因子達(dá)41.8。7層Mn/K/Mn交替摻雜有助于薄膜晶粒的長大及致密性的提高,使BST薄膜的耐壓