微波调谐器件用钛酸锶钡基非线性介质薄膜介电调谐性能的研究

摘要

Ba1-xSrxTiO3(BST)薄膜具有非线性介电效应，即材料的介电常数随着外加电场变化的非线性特性，具有这种特性的材料可用来制备电可调微波器件。然而，BST薄膜在高频段介电损耗较大严重限制了其工程应用。目前，进行了大量的研究，通过调节其组分和掺杂如Al、Bi、Fe等来降低介电损耗。通常介电损耗减小的同时也伴随着调谐量的减小，人们用品质因子FOM(Figureofmerit)来综合评估电调谐特性。为了能得到介电常数适中、介质损耗较小和调谐率较高材料，我们提出开发以铅代钡和掺钙两种新的钛酸锶钡基固溶体体系。近年来，钛酸锶铅(PST)薄膜的研究发展起来。为了获得好的织构，在单晶LaNiO3(LNO(100)/Si)和以MgO(100)为缓冲层(MgO/Pt/Si(100))基片上长PST薄膜，然而，探讨前驱体浓度对PST薄膜织构影响的文献报道很少。本文采用溶胶—凝胶(Sol-gel)工艺得到不同浓度(0.15M，0.20M，0.25M，0.30M和0.40M)的溶胶，在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)衬底上制备预晶化温度650℃条件下PST(30/70)薄膜。我们发现当溶胶浓度低于0.3M时，所制备的PST薄膜则明显地呈现出柱状生长：当溶胶浓度高于0.3M时，所制备的PST薄膜则明显地呈现出层状生长。这种织构可以优化薄膜的介电调谐性能，这些不同溶胶薄膜中，0.25M溶胶的薄膜具有较高的调谐且所制得的薄膜致密具有相对低的介电损耗，故而薄膜的优值最大。 薄膜柱状生长不仅与溶胶浓度有关，还与预晶化温度有一定联系。浓度为0.20M的溶胶薄膜，在500℃预晶化热处理后虽然所制得的薄膜剖面致密，但没有明显的柱状织构，经700℃预晶化热处理后所制得致密的薄膜明显地呈柱状结构。但对于浓度0.40M溶胶薄膜，随着预晶化温度的提高，薄膜层状结构也逐渐清晰，但预晶化温度的提高不能得到柱状生长的织构。 2002年，Takeuchi等人基于介电损耗(tanδ)和介电常数(εr)的研究给出了组分大致范围Ba0.12-0.25Sr0.35-0.47Ca0.32-0.53TiO3和三元体系相图。同时，韩国Chang-IlKim、Sung-GapLee和Sang-HeonLee等对(Ba0.6-xSr0.4Cax)TiO3(BSCT)(x=0.10,0.15,0.20)陶瓷和厚膜及其Ca低组分三元系统掺杂进行了研究。然而，探讨三元系BSCT薄膜的文献报道很少。 本文采用溶胶—凝胶(Sol-gel)工艺在Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)衬底上制备两组不同钙含量的(Ba1-x-ySrxCay)TiO3薄膜。要得到好的性能这些组分点必须选取在立方相区域并在立方相—四方相相界附近；通过对高Ca(＞0.3)和低Ca(＜0.3)不同组分的介电常数、介电损耗、调谐率测定，探讨了薄膜的成分、结构与性能间的关系。XRD图谱表明所制得的各种不同组分的BSCT薄膜均能形成了钙钛矿结构。这些薄膜中，Ba0.25Sr0.35Ca0.4TiO3薄膜的性能最佳，其介电常数，介电损耗，调谐率和优值(FOM)分别为122.1，O.004，24.3％(1MHz和200KV/cm条件下)和62.8。有望成为一种能实现微波调谐器件应用的性质稳定的新型材料。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

第二章前驱体浓度对PST薄膜织构和性能的影响

第三章热处理制度对不同前驱体溶胶浓度的PST薄膜织构与介电性能的影响

第四章三元系BSCT薄膜的微波介电调谐特性

第五章结论与展望

致 谢