鈦酸鍶鋇系鐵電薄膜材料特性及其移相器結構性能仿真研究.pdf

1、本文闡述了基于熱力學理論的Devonshire宏觀唯像理論，分析了它在鐵電體一級、二級相變及彌散相變中的應用，給出了鐵電材料的自發(fā)極化、介電常數(shù)的理論計算方法，并進一步采用了Smolenskii的成份起伏理論解釋了實際鐵電體在居里溫度附近出現(xiàn)彌散相變現(xiàn)象。另外在微觀理論方面，為了解釋ABO3鈣鈦礦鐵電性的起源，采用第一性原理計算軟件，計算了Ti位移對Ba1-xSrxTiO3(BST)系材料體系能量的影響及BaTiO3的電子結構。

2、　　基于對鐵電相變理論的研究結論，本文深入研究了BST系陶瓷的制備工藝及電學性能。研究結果表明：Ba1-xSrxTiO3陶瓷的晶格常數(shù)隨Sr含量的增加而減??；Ba1-xPbxSr0.4TiO3(BPST)陶瓷的晶格畸變隨Pb含量的增加而增加。BST系陶瓷的居里溫度點可以通過改變A位替代的Sr、Pb成分來調制。對于Ba1-x SrxTiO3樣品隨著Sr含量的增加，居里溫度降低。而對于Ba0.6-xPbxSr0.4TiO3陶瓷，隨著Pb含量

3、的增加，居里溫度增加（從-25℃上升到120℃）。對BPST系陶瓷的拉曼光譜測試，發(fā)現(xiàn)TiO6八面體鈣鈦礦結構的BST系陶瓷隨著Pb成份的變化由鐵電四方相逐漸轉變?yōu)轫橂娏⒎较嘟Y構時，290cm-1與720cm-1處的鐵電特征峰幾乎消失。BPST樣品520-550 cm-1處的拉曼峰對應的TiO6伸縮模的頻率隨著Pb含量的增加而增加，這也說明TiO6八面體穩(wěn)定性隨著Pb含量的增加而加強。通過采用Smolenskii的成份起伏理論對BST系

4、陶瓷介溫峰進行了擬合，發(fā)現(xiàn)摻Pb的BST相對與純的BST固溶體彌散指數(shù)明顯增加，說明了對BST的A位Pb替代加劇了彌散相變。而對Ba2Pb4Sr4TiO3樣品在不同頻率下的介溫測試發(fā)現(xiàn)該材料具有彌散相而沒有馳豫體特性（即居里溫度沒有隨頻率而發(fā)生偏移），說明了彌散相的產生并非來源于內部的離子結構，而是因為微區(qū)內Pb,Sr,Ba的成份不均所致。
　　為了使BST薄膜在室溫附近兼有良好的介電和鐵電性能，根據Ba0.6Sr0.4TiO3的

5、化學分子式比例，采用了改進的固相反應法，制備了BST陶瓷靶材。采用RF磁控濺射法在Pt/Ti/Si02/Si基片上制備了(Ba,Sr)TiO3薄膜，研究了基片溫度、濺射氣壓、O2氣氛、靶基距對薄膜晶體結構及擇優(yōu)取向的影響，分析了形核過程中體形核（相變驅動力）、表面能、界面能等因素的作用機制。通過優(yōu)化薄膜的磁控濺射工藝，獲得（110）擇優(yōu)取向的BST薄膜，電滯回線測試表明其具有較高剩余極化強度。當電壓為5V，對應電場強度為280KV/cm

6、時，BST薄膜的矯頑場(CE?)為33kV/cm，剩余極化(2Pr)為6.2μC/cm2.經過1010讀/寫周期疲勞特性測試后，該薄膜的剩余極化幾乎沒有衰減。在7V掃描電壓下，該薄膜的相對介電常數(shù)為161～255，調諧率約為37％。當工作電壓低于5V，漏電流低于10-7A/cm2.該薄膜具有優(yōu)良的介電調諧特性。
　　最后，本文研究了介電常數(shù)可調的BST薄膜在移相器中的應用。根據準靜態(tài)場法和全波分析法得出了共面波導型薄膜移相器（CP