铋基焦绿石铌酸铋镁材料结构及薄膜的介电性能研究

摘要

随着电子信息系统的快速发展,大量的电子电路中采用了可调谐的电子元器件,如移相器、电调滤波器、自适应匹配网络、限幅器、压控振动器、电控衰减器等。介电可调材料具有介电常数随外加电场变化而变化的介电非线性特性,利用这种特性可以对信号的相位、频率和幅度进行调制,所制成的压控器件具有响应速度快、功率容量大、功耗低、易集成以及成本低等特点,在卫星系统、移动通信、雷达系统等军事和民用电子系统中有着巨大的应用前景。
　　具有钙钛矿结构的BaxSr1-xTiO3(BST)薄膜是目前研究最为集中的介电可调材料,BST薄膜介电调谐率高,但介电损耗大。近年来,研究发现具有焦绿石结构的Bi1.5ZnNb1.5O7(BZN)薄膜材料介电损耗低、但介电调谐率小。本研究组发现,用离子半径较小的Mg2+取代BZN中的Zn2+,制备的Bi1.5MgNb1.5O7(BMN)薄膜具有比BZN薄膜更高的介电调谐率。本论文研究了BMN材料的制备工艺,探讨了BMN材料的介电调谐机制以及该薄膜材料的介电损耗机理,并开展BMN薄膜变容管原型器件的研制。主要内容和结论如下:
　　1.研究了BMN材料的结构特点并探讨了该材料的介电调谐机理。通过拉曼光谱和红外光谱分析,研究了不同Mg2+离子含量的Bi1.5MgNNb2.5-NO8.5-1.5N材料的结构,发现了Mg2+离子优先占据材料结构中的B-位,当B-位填满后才进入A-位;通过不同Mg2+离子含量的Bi1.5MgNNb2.5-NO8.5-1.5N材料结构与介电调谐性的分析,阐明了BMN薄膜的介电可调性与其结构中的偶极矩和无序场有关。当Mg2+离子不足,A-位出现空位,A-位的无序度和偶极矩会随着Mg2+离子浓度的增加而增大,BMN薄膜的介电调谐率也随着Mg2+离子浓度的增加而增大;但是当Mg2+离子浓度达到饱和后,多余的Mg2+离子会影响无序离子对外加电场的响应,且BMN材料结构中的偶极矩不会增大,BMN薄膜的介电调谐率因此不会随着Mg2+离子浓度的增加而增大。
　　2.采用射频磁控溅射法制备BMN薄膜,研究了基底温度、溅射气压以及溅射气氛对BMN薄膜结构的影响,优化出BMN薄膜的制备条件,制备了具有低损耗、较高调谐率的BMN薄膜。制备的BMN薄膜的介电常数为179、损耗为0.003、在1.5MV/cm的偏置电场下,介电调谐率达50％。
　　3.研究了BMN薄膜的介电损耗机理。研究表明,BMN薄膜的介电损耗主要是非本征损耗,且主要由带电缺陷损耗机制所决定。通过对在不同气氛下进行退火处理的BMN薄膜进行研究,发现氧空位和晶界带电缺陷机制机制是影响BMN薄膜介电损耗的主要因素。通过富氧气氛下充分的退火处理,减小薄膜中的氧空位浓度和晶界含量能有效地降低BMN薄膜的介电损耗。为此,研究了退火处理对BMN薄膜结构及介电性能的影响。研究发现,退火处理能有效地降低薄膜的结晶温度,更好地控制BMN薄膜的组分结构,但是对底电极的损伤较大,限制了BMN薄膜上所能加载的最大电压。
　　4.采用微细加工技术研制了BMN薄膜变容管原型器件并对其性能进行了研究。研制的BMN薄膜变容管原型器件在频率为1MHz时,Q值为356,在偏置电场为1.3MV/cm时,其介电调谐率为14.8％。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2介电可调薄膜的研究进展

1.3 BMN介电材料简介

1.4 论文的选题及研究内容

第二章 实验方法

2.1 BMN薄膜的制备

2.2薄膜的微观结构表征方法

2.3薄膜的介电性能测试方法

第三章 BMN材料的结构及介电调谐机制分析

3.1 Mg2＋离子含量对BMN结构的影响

3.2 Mg2＋离子含量对BMN陶瓷材料介电性能的影响

3.3 BMN材料介电调谐机理分析

3.4 本章小结

第四章 BMN薄膜材料的制备

4.1 薄膜生长条件

4.2 Mg2＋离子含量对BMN薄膜材料结构的影响

4.3 Mg2＋离子含量对BMN薄膜材料介电性能的影响

4.4 优化条件下BMN薄膜的介电性能

4.5 本章小结

第五章 BMN薄膜介电损耗机理的研究

5.1 BMN薄膜介电损耗测试方案

5.2 BMN薄膜中的非本征损耗

5.3 BMN薄膜的退火处理研究

5.4 本章小结

第六章 BMN图形化技术及原型器件的研究

6.1 BMN薄膜变容管的制备

6.2 BMN薄膜变容管的性能测试及结果分析

6.3 本章小结

第七章 结 论

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 未来工作的建议

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果