鐵電薄膜材料及在介質(zhì)移相器中的應(yīng)用研究.pdf

1、可調(diào)微波器件用鐵電薄膜材料，必須具有高的介電系數(shù)電壓變化率（即調(diào)諧率）、低的介質(zhì)損耗、高的溫度穩(wěn)定性、長的使用壽命以及良好的抗疲勞特性等性能，目前主要有BaxSr1-xTiO3（BST）、BaZrxTi1-xO3（BZT）、PbxSr1-xTiO3（PST）等。本文采用射頻磁控濺射法制備BST鐵電薄膜，通過對(duì)臨界晶粒尺寸、界面效應(yīng)、擇優(yōu)取向、可靠性等的研究優(yōu)化BST薄膜性能，同時(shí)對(duì)BZT、PST材料進(jìn)行了初步探討，探索了廉價(jià)陶瓷基片替代

2、單晶基片的可能性，并采用微細(xì)加工工藝制作了BST薄膜介質(zhì)移相器，取得以下主要結(jié)果：
　　 ⑴通過調(diào)節(jié)退火溫度和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜晶粒尺寸的控制。研究發(fā)現(xiàn)：Ba0.6Sr0.4T1O3薄膜的晶化臨界尺寸約為10nm，鐵電臨界尺寸約為20nm。
　　 ⑵在BST/Pt界面有7～8nm的過渡層，厚的界面過渡層主要是因?yàn)楦吣躎i原子擴(kuò)散導(dǎo)致的。通過減小初始射頻濺射功率，過渡層厚度可減小至2～3 nm，

3、εr-V曲線的對(duì)稱性從52.37％提高到95.98％，而且調(diào)諧率、正負(fù)剩余極化強(qiáng)度之差（△Pr）以及正負(fù)矯頑場強(qiáng)之差（△Ec）顯著改善。
　　 ⑶BST薄膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地依賴基片取向，生長在LaAlO3（100）基片上的BST薄膜（簡稱BST-100）為（h00）方向擇優(yōu)，而生長在LaAlO3（110）基片上的BST薄膜（簡稱BST-110）為（110）方向擇優(yōu)。BST-110薄膜比BST-100薄膜具有更高的調(diào)諧率、更大的優(yōu)值以

4、及更低的漏電流。
　　 ⑷研究了Pt/Ti/IAO（100）襯底上BST薄膜的可靠性，發(fā)現(xiàn)在-30℃～130℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，BST薄膜的介電系數(shù)、介質(zhì)損耗、調(diào)諧率（在300 kV/cm時(shí)）緩慢增加；頻率在20Hz～1MHz范圍內(nèi)，BST薄膜的介電系數(shù)、介質(zhì)損耗、調(diào)諧率變化很小；在反轉(zhuǎn)1億次后，BST薄膜的調(diào)諧率稍有減小、介質(zhì)損耗略有增大。
　　 ⑸當(dāng)x=0.20時(shí)，BaZrxTi1-xO3陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)接近順電相

5、；而x<0.20時(shí)，屬于四方鐵電相。而且隨著Zr含量的增加，BZT陶瓷的擴(kuò)散相變行為增強(qiáng)。BaZrxTi1-xO3陶瓷中Zr/Ti增加導(dǎo)致矯頑場強(qiáng)和剩余極化強(qiáng)度均減小。
　　 ⑹生長在LaAlO3（100）基片上的BaZr0.1Ti0.9O3薄膜為明顯的（h00）擇優(yōu)，是立方-立方的生長，而BaZr0.2Zi0.8O3薄膜沒有明顯的擇優(yōu)。BaZr0.1Ti0.9O3薄膜比BaZr0.2Ti0.8O3薄膜有更大的晶粒、更高的介電系

6、數(shù)、更高的調(diào)諧率以及更大的剩余極化強(qiáng)度和矯頑場強(qiáng)，同時(shí)BaZr0.1Ti0.9O3薄膜有更大的介質(zhì)損耗和漏電流密度。表明Zr4+離子可降低介電系數(shù)、抑制非線性特性。
　　 ⑺室溫下，x≥0.45的PbxSr1-xTiO3（x=0.2～0.8）陶瓷為四方相。PbxSr1-xTiO3陶瓷在x=0.40和0.45時(shí)的電滯回線顯示反鐵電行為。對(duì)于Pb0.45Sr0.55TiO3陶瓷，反鐵電行為隨著燒結(jié)溫度、最大外加電場的增加而增加。而且

7、過量Pb增加也導(dǎo)致反常的電滯回線。反鐵電行為是由于具有強(qiáng)應(yīng)力的混合結(jié)構(gòu)、電疇釘扎、氧空位所致。
　　 ⑻在被覆玻璃釉的改性基片上制備了BST鐵電薄膜電容器，其微結(jié)構(gòu)、介電性能、漏電流特性與在單晶LaAlO3基片上制備的BST薄膜相當(dāng)。即改性基片可替代價(jià)格昂貴的單晶基片和機(jī)械拋光基片。
　　 ⑼采用優(yōu)化的BST鐵電薄膜和圖形化工藝，成功制備了薄膜型介質(zhì)移相器，實(shí)現(xiàn)了360°相移。在16.5 GHz、40 V直流偏壓下，最大