鈦酸鍶鋇陶瓷與薄膜的介電與調(diào)諧性能及其摻雜改性研究.pdf

1、鈦酸鍶鋇(Ba1-xSrxTiO3，BST)薄膜具有介電常數(shù)隨外加電場變化的非線性特性，在電調(diào)諧微波器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，BST薄膜與其塊體陶瓷相比介電性能相差很多，尤其是介電損耗要高一個數(shù)量級，成為制約其應(yīng)用的主要原因。本文研制了一系列陶瓷靶材，并采用激光脈沖沉積法(PLD)制備BST薄膜，通過優(yōu)化工藝條件和摻雜改性提高薄膜的介電性能和調(diào)諧特性。 本文研究了Cr、Bi兩種摻雜元素對鈦酸鍶鋇(Ba06Sr0.4TiO

2、3)陶瓷靶材介電、調(diào)諧性能的影響。少量的受主Cr摻雜在一定程度上提高了陶瓷的調(diào)諧率，顯著降低了陶瓷的介電損耗。當(dāng)Cr摻雜量在≤1.0mol％時，BST陶瓷的介電損耗可以降低到0.001以下(1MHz，室溫)，從而有效提高了材料的綜合性能，0.4～0.6mol％Cr摻雜BST陶瓷的FoM值可達(dá)500，而未摻雜樣品僅在60左右。Cr摻雜對BST陶瓷性能的優(yōu)化為PLD法制備優(yōu)質(zhì)薄膜奠定了基礎(chǔ)。適量的Bi摻雜(3.0～5.0mol％)可以顯著提

3、高BST體系的調(diào)諧率，但也在一定程度上增大了介電損耗，導(dǎo)致?lián)诫s的整體效果不太明顯。 本文系統(tǒng)地研究了PLD制備薄膜過程中的沉積氧壓、退火氧壓、襯底溫度、激光能量對BST薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和介電、調(diào)諧性能的影響，從而優(yōu)化了工藝條件。 結(jié)果表明，降低薄膜沉積過程中的氧壓，有利于獲得致密、高度(111)擇優(yōu)取向的薄膜。雖然在較高氧壓下生長的薄膜調(diào)諧率較高，但損耗的急劇增大，導(dǎo)致薄膜的綜合性能變差。而提高薄膜原位退火過程中的氧壓可以

4、抑制薄膜中氧元素的逸失，降低氧缺陷濃度，從而顯著改善薄膜的電性能。因此，采用較低的沉積氧壓、高的退火氧壓是一種優(yōu)化薄膜性能的可行途徑。 提高襯底溫度可以促進(jìn)薄膜的晶化，提高薄膜調(diào)諧率，但也在更大的程度上引起薄膜損耗的增大，綜合來說，在700℃的襯底溫度下生長的薄膜綜合性能較優(yōu)?？刂萍す獾哪芰棵芏瓤梢垣@得不同織構(gòu)的BST薄膜。當(dāng)激光能量密度為2.4J/cm2時，薄膜的斷面形貌為“柱狀”，提高激光能量薄膜轉(zhuǎn)為“塊狀”織構(gòu)。薄膜的調(diào)諧

5、率隨激光能量密度的提高而減小，在1MHz以上介電損耗隨激光能量密度的提高而增大。實驗表明，在沉積氧壓為5mTorr，退火氧壓為200mTorr，襯底溫度為700℃，激光能量密度為2.4J/cm2的工藝條件下，薄膜具有較優(yōu)化的介電與調(diào)諧性能。 在研究PLD工藝條件的基礎(chǔ)上，制備了一系列Cr摻雜BST薄膜。薄膜晶格常數(shù)隨Cr含量的增大而增大，所有薄膜的晶格常數(shù)均大于相應(yīng)的靶材。Cr摻雜可以明顯降低BST薄膜高頻介電損耗，對薄膜的調(diào)諧