溅射法PST薄膜的诱导取向制备及介电性能研究

摘要

铁电材料具有优良的介电、压电、铁电、热释电及介电非线性等特性,其极化强度可随外加电场呈非线性变化的性质可用于制备微波可调元器件,如相控阵天线上的移相器、振荡器、滤波器、延迟线等,应用前景十分乐观.就研究体系而言,目前主要集中在钙钛矿相铁电材料,如钛酸锶钡(BST)系列.最近Cross等发现钛酸锶铅(Pb,Sr)TiO<,3>(PS+r)陶瓷具有较高可调性和相当低的介电损耗,是一种非常适用于电场调节元件的材料.与BST相比,特别作为薄膜材料,PST的电临界尺寸较小,具有单一相变点,晶化温度较低,能更好的与微电子工艺相兼容,对推动现代器件的小型化和集成化具有十分重要的意义.目前国内外对PST的研究还处于刚起步阶段,其性能尤其是薄膜的性能还远未达到实用要求,对PST薄膜进行改性研究,通过新方法新思路提高PST薄膜的性能还有许多工作要做. 本文全面综述了微波可调铁电薄膜材料的研究发展,总结了薄膜材料的主要改性研究方法和取向薄膜的制备现状,简要介绍了铁电材料微波可调的基本原理及其应用,提出了利用取向诱导的思想结合溶胶凝胶法和射频磁控溅射技术制备取向PST薄膜. 本文通过以溶胶凝胶法制备的取向PT作为诱导层,采用射频磁控溅射工艺在PT诱导层上成功制备了高度(100)择优取向的钙钛矿相PST薄膜.用X射线衍射分析了其结晶情况和物相结构,通过扫描电镜观测了薄膜的表面形貌和断面情况,利用阻抗分析仪测试了薄膜的介电性能. 结果表明,通过PT取向诱导层的使用可以为PST薄膜的结晶提供成核位置,降低其成核势垒,促进其晶化并诱导出PST的择优取向,同等条件下制备的取向PST薄膜不仅晶相含量较非取向PST薄膜高,而且其介电性能优于非取向PST薄膜. 取向PST薄膜的析晶与介电性能会受热处理制度影响.在一定的温度范围内,随着热处理温度的提高,薄膜的成核结晶能力增强,晶粒尺寸变大,晶相含量增加,电容随之增大,但过高的热处理温度会使PST晶核的成核速率过大而抑制晶粒的充分生长,降低PST的晶相含量和电容值.在一定高温下,快速热处理时间的延长将使初始阶段形成的过量晶相向该温度下晶相含量的平衡点靠近,晶相含量显示出随热处理时间的延长而降低的趋势,在此过程中取向PST薄膜的相对晶体含量变化远大于非取向PST薄膜. 提高溅射功率可以增加轰击靶材的Ar离子的能量,有更多的靶材粒子被轰击沉积在基板上并堆积更为紧密,使PST薄膜的结晶性能得到改善,增加薄膜的晶相含量和晶粒尺寸,降低体系中的缺陷密度,PST的电容值和可调性随之提高,介电损耗减小. PT诱导层厚度能影响两步溅射PST薄膜的结晶性能,PST薄膜的结晶状况和可调性随诱导层厚度的增加而下降,取向PST的析晶、可调性和优值均大大高于同等条件下制备的非取向PST,其可调性和优值较非取向PST分别提高了近1倍和3倍,可调性的最大值超过62.66﹪,并有望随着外加偏压的增大而继续提高.

目录

文摘

英文文摘

引言

第一章文献综述

1.1微波可调材料及其应用

1.1.1铁电材料概述

1.1.2微波可调原理及其理论研究

1.1.3微波可调材料的应用研究背景

1.1.4微波可调器件对材料的要求

1.2可调薄膜材料的研究现状

1.2.1钛酸锶(STO)

1.2.2钛酸锶钡(BST)

1.3薄膜材料改性方法研究

1.3.1掺杂

1.3.2缓冲层

1.3.3外延或择优取向

1.4取向薄膜的制备研究现状

1.5关于PST薄膜的研究

1.5.1成分配比与掺杂改性

1.5.2取向或外延制备

1.6本课题研究的目的及意义

第二章实验

2.1实验原料与仪器

2.1.1实验原料

2.1.2实验设备与仪器

2.1.3测试仪器

2.2 PT诱导层的制备

2.2.1基片清洗工艺

2.2.2 Tb掺杂PT溶胶的配制

2.2.3取向PT薄膜的制备

2.3 PST薄膜样品的制备

2.3.1 PST溅射靶材的制备

2.3.2 PST薄膜的制备

2.4薄膜的结构与性能测试

2.4.1 XRD结构测试

2.4.2 SEM形貌测试

2.4.3介电性能的测试

第三章诱导层诱导取向PST薄膜形成与制备研究

3.1 PT诱导层的形成与制备

3.2诱导取向制备PST薄膜的形成

3.3热处理对取向PST薄膜结晶性能的影响

3.3溅射功率对取向PST薄膜结晶性能的影响

3.4诱导层厚度对取向PST结晶性能的影响

3.5本章小结

第四章诱导取向制备PST薄膜的介电性能研究

4.1热处理温度对取向PST薄膜介电性能的影响

4.2溅射功率对取向PST薄膜介电性能的影响

4.2.1不同溅射功率制备取向PST薄膜的电容与损耗

4.2.2不同溅射功率制备取向PST薄膜的可调性

4.3诱导层厚度对取向PST薄膜的介电性能的影响

4.3.1不同诱导层数制备取向PST薄膜的电容与损耗

4.3.2不同诱导层数制备取向PST薄膜的可调性

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

攻读硕士期间的论文和专利

致谢