鐵電移相材料Ba-,1-x-y-Pb-,x-Sr-,y-TiO-,3-的制備與性能研究.pdf

1、相控陣天線用鐵電薄膜移相器是一種基于鐵電材料的新型移相器，具有掃描速度快、精度高、驅(qū)動功率小、波控系統(tǒng)簡單、工作溫度范圍寬、多目標(biāo)跟蹤與處理、價格低廉等優(yōu)點，是目前軍事、航天等領(lǐng)域雷達(dá)系統(tǒng)的研究熱點之一。本文研究了Ba1-x-yPbxSryTiO3（BPST）鐵電材料的制備、表征、電學(xué)特性以及基于BPST薄膜的電容器加載共面波導(dǎo)移相器的仿真設(shè)計等內(nèi)容。 在分析鐵電移相器工作原理的基礎(chǔ)上論證了鐵電材料應(yīng)用于移相器的可行性，設(shè)計出B

2、ST與PST的固溶體BPST作為移相器用可調(diào)諧介質(zhì)，指出0.3≤y≤0.6的組分具有較大的移相器應(yīng)用價值，為實驗提供了可調(diào)諧介質(zhì)材料的選擇依據(jù)。 采用固相反應(yīng)法制備了BPST陶瓷材料，研究了其微結(jié)構(gòu)與介電特性。發(fā)現(xiàn)隨Pb濃度的提高，BPST陶瓷在室溫下由立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，晶格畸變程度逐漸加劇。介電特性分析發(fā)現(xiàn)Ba0.5Sr0.5TiO3、Ba0.4Pb0.1Sr0.5TiO3、Ba0.3Pb0.1Sr0.6TiO3與Ba0.2

3、Pb0.2Sr0.6TiO3適合于鐵電移相器的應(yīng)用，在10kHz測試頻率下它們的室溫介電常數(shù)分別為1235、1431、1140和1593；介電損耗分別為0.0029、0.0047、0.0041和0.0062。采用第一性原理計算了BPST的晶格結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在Ba0.7-xPbxSr0.3TiO3晶格中，隨Pb含量的提高，Ti離子距鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧八面體中心的偏移量Δc越大；而在Ba1-x-yPbxSryTiO3（0.4≤y≤0.6）晶格中，當(dāng)Δ

4、c=0時晶格能量最低。 采用射頻磁控濺射法制備了BPST薄膜，研究了薄膜的制備工藝、介電特性、漏電流特性與元素化學(xué)態(tài)。在所討論的BPST薄膜中，發(fā)現(xiàn)Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3薄膜最適合應(yīng)用于鐵電薄膜移相器。室溫時，在1MHz測試頻率下Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3薄膜的介電常數(shù)為514、介電損耗為0.014、偏置電場為375kV/cm時調(diào)諧率為51％、FOM為36.43。薄膜漏電流特性分析發(fā)現(xiàn)，不含Pb薄膜的

5、漏電流密度最小，含Pb薄膜的漏電流密度相對較大，并且Pb含量越高，漏電流密度越大。在375kV/cm電場作用下，Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3薄膜的漏電流密度為6.7μA/cm2。采用XPS研究了薄膜的元素化學(xué)態(tài)，發(fā)現(xiàn)Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3薄膜的表層中有少量的非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Ba與Ti；在薄膜內(nèi)部，Ba、Sr、Ti等金屬元素均為單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)結(jié)合狀態(tài)；Pb元素在薄膜內(nèi)部出現(xiàn)了少量單質(zhì)的化學(xué)狀態(tài)，這與薄膜內(nèi)部缺氧嚴(yán)

6、重有關(guān)。通過元素含量計算發(fā)現(xiàn)薄膜中Ba、Ti含量偏高、Sr含量偏低；薄膜內(nèi)部Pb元素含量與化學(xué)式符合較好，而表層中Pb含量偏低；薄膜表層與內(nèi)部的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧均偏低。 采用ADS仿真得到優(yōu)化的Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3/MgO基電容器加載共面波導(dǎo)移相器的結(jié)構(gòu)參數(shù)：叉指寬度s、叉指間隙g、叉指交疊長度l0、單側(cè)叉指數(shù)目m分別為5μm、10μm、45μm、1或2。通過使用不同的薄膜調(diào)諧率T仿真了具有20個周期性重復(fù)的移相單