鈦酸鍶鉛薄膜的制備及介電調(diào)諧性能研究.pdf

1、介電可調(diào)微波器件中應(yīng)用的微波介電材料應(yīng)具有較高的優(yōu)值，即可調(diào)性能和介質(zhì)損耗的比值，因此，材料要具有盡可能高的調(diào)諧率，同時(shí)損耗要低。調(diào)諧量指的是在一定溫度下，介電常數(shù)在某直流場強(qiáng)作用下的變化率，即調(diào)諧量=[ε(0，T)-ε(E，T)]/ε(0，T)。其中，順電相鈦酸鍶鋇(BST)材料以其具有高的介電常數(shù)、低的介電損耗、大的調(diào)諧率、快的反應(yīng)速度和好的抗擊穿能力而備受青睞，廣泛應(yīng)用于可調(diào)諧微波集成器件領(lǐng)域，如：可調(diào)性濾波器、移相器、微波諧振器

2、、變?nèi)?)極管、實(shí)時(shí)延遲器件以及相陣列天線等。然而，較大的介電損耗，特別是在微波頻率范圍，限制了BST材料的進(jìn)一步發(fā)展；同時(shí)，BST材料較高的生成溫度和大的漏電導(dǎo)也成為它在實(shí)際應(yīng)用中的主要障礙，生成溫度高對半導(dǎo)體器件的集成化非常有害，而大的漏電導(dǎo)則會限制它在更薄的薄膜中應(yīng)用。 最近，國際著名的鐵電材料學(xué)家、美國賓州大學(xué)的L.EricCross等人對鈦酸鍶鉛(PST)塊體材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)PST材料在具有較高可調(diào)性的同時(shí)，有相當(dāng)

3、低的介電損耗。同時(shí)，它還是一種互溶性良好的鈣鈦礦鐵電材料，其居里溫度Tc可較容易地調(diào)至室溫附近。因此，Cross等指出PST是一種適用于電場調(diào)節(jié)元件的材料。由于鈦酸鍶鉛(PST)陶瓷在介電性能方面與鈦酸鍶鋇(BST)陶瓷非常具有可比性，從而也已經(jīng)展開對PST薄膜的研究工作，但報(bào)導(dǎo)甚少，還處在起步階段。已有報(bào)道用溶膠—凝膠方法獲得PST薄膜的介電常數(shù)電調(diào)諧率約20～50％、介電損耗為2～5％，但與Cross等人報(bào)道的數(shù)據(jù)相比，薄膜的性能還

4、遠(yuǎn)未達(dá)到期望值，許多問題急待深入地研究和解決。本論文采用溶膠—凝膠方法制備Pb、Sr()TiO()薄膜，研究了熱處理制度、組分以及溶膠濃度對薄膜微觀結(jié)構(gòu)和介電調(diào)諧性能的影響。 在采用快速熱處理方式制備薄膜的過程中，發(fā)現(xiàn)預(yù)晶化溫度對PST薄膜結(jié)晶和生長有著顯著的影響，預(yù)晶化溫度的提高有利于薄膜晶粒的長大和結(jié)晶的完善，從而提高薄膜的介電調(diào)諧性能，但預(yù)晶化溫度過高，則反而會由于底電極與薄膜之間過于強(qiáng)烈的空間電荷極化作用導(dǎo)致薄膜損耗的增

5、大。在合適的熱處理制度下制備的PST(30/70)薄膜和PST(40/60)薄膜的調(diào)諧率均在60％左右，最高達(dá)到71.9％(測試頻率為1MHz，E=300Kv/cm)，此數(shù)值較國際上相關(guān)報(bào)道的要高，但是薄膜的介電損耗與報(bào)道值相比沒有明顯的下降。 在熱處理制度一致的情況下，研究了Pb/Sr比對PbxSr1-xTiO2(x=0.1，0.2，0.3，0.4)系列薄膜微觀結(jié)構(gòu)及其介電性能的影響，由于鉛含量的增加會使薄膜的整體性能偏向鈦酸

6、鉛薄膜的鐵電特性，因此隨著x從0.1增加到0.4，PST薄膜在調(diào)諧率增大的同時(shí)損耗也隨之增大。當(dāng)Pb/Sr值為30/70時(shí)，薄膜的晶粒大而均勻，結(jié)構(gòu)致密，其優(yōu)值最高，在1MHz的測試頻率下，調(diào)諧率、損耗因子和優(yōu)值分別為61.0％、0.022和28(E=300Kv/cm)。 值得一提的是，溶膠濃度的降低對PST薄膜的結(jié)構(gòu)有著重大影響，進(jìn)而也影響著其介電性能。當(dāng)PST溶膠濃度由0.4M降為0.2M后，薄膜由層狀生長變?yōu)槊黠@的柱狀生長