钾镁交替掺杂BST薄膜相结构特征及介电性能研究

摘要

钛酸锶钡(Ba0.6Sr0.4TiO3, BST)铁电薄膜作为新一代微波调谐材料，具有广阔的应用空间和重要的研究意义。本论文主要研究钾(K)镁(Mg)交替掺杂对BST薄膜相结构特征及介电性能的影响。采用改进的溶胶-凝胶(Sol-gel)法制备K掺杂、Mg掺杂、K/Mg交替及Mg/K交替掺杂BST薄膜，首先利用XRD研究薄膜的相结构，并对薄膜铁电-顺电相变温度进行探索研究，然后对不同掺杂浓度薄膜的表面化学态和表面形貌进行对比研究，最后围绕交替掺杂对介电常数、调谐率、优质因子等介电性能参数的影响进行分析，建立其与相结构的关系，主要研究结果如下：
　　1.研究钾镁交替掺杂BST薄膜的相结构特征。结果表明：钾镁单一及交替掺杂均有助于薄膜形成钙钛矿结构，使钙钛矿(110)特征峰强度变大。衍射峰峰位向2θ角减小方向偏移，晶格常数变大，半高宽展宽，对应更小的晶粒尺寸和介电损耗。掺杂K时，K+主要进入A位替代Sr2+；掺杂Mg时，Mg2+主要进入B位替代Ti4+。介温特性测试表明：与未掺杂相比，钾镁单一和交替掺杂均使薄膜表现出良好的温度特性，其中交替掺杂效果更佳。在-50~100?C范围内薄膜未出现明显的铁电-顺电相变现象，介电常数变化平稳。
　　2. XPS、SEM及AFM分析表明，钾镁交替掺杂在促进薄膜钙钛矿结构形成和降低介电损耗等方面与单一掺杂相比优势明显。交替掺杂后，薄膜光滑致密、无缩孔，具有明显优势，通过介电性能的测试可进一步得到验证。
　　3.对不同掺杂方式、不同掺杂浓度、不同测试频率下BST薄膜的介电性能进行研究，钾镁交替掺杂薄膜兼有K掺杂的高调谐率和Mg掺杂的低损耗，综合优势明显。其中，K/Mg交替掺杂10mol％时，介电常数适中，在-40~40V范围内损耗不高于0.011，调谐率为50%，优质因子达到55.6，具有优异的综合介电性能，与相应的结构相对应。此外，6层钾镁交替掺杂 BST薄膜的相结构特征和介电性能受第一层掺杂元素影响较大，表现出良好的频率稳定性。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2 BST的基本结构及理论依据

1.3 BST薄膜在微波调谐领域的应用及性能要求

1.4 BST薄膜掺杂改性研究进展

1.5 论文选题与主要内容

第二章 BST薄膜制备及实验方案

2.1 传统Sol-gel法

2.2 改进的Sol-gel法

2.3 实验方案

2.4 BST薄膜的表征与测试方法

2.5 本章小结

第三章 BST薄膜相结构特征研究

3.1 XRD分析

3.2 介温特性测试

3.3 XPS分析

3.4 SEM分析

3.5 AFM分析

3.6 本章小结

第四章 BST薄膜介电性能研究

4.1 掺杂浓度的影响

4.2 掺杂方式的影响

4.3 频率对比

4.4 层数对比

4.5 本章小结

第五章 结论及展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果