铈镁交替掺杂钛酸锶钡薄膜介电调谐性能研究

摘要

钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3, BST,0≤x≤1)薄膜介电常数随外加电场变化而非线性变化,在微波调谐器件上有广泛应用前景。本论文主要研究铈(Ce)镁(Mg)交替掺杂BST薄膜调谐性能。在已有交替掺杂的基础上,对铈镁交替掺杂薄膜的不同掺杂浓度、方式、结构等进行研究。用X射线衍射(XRD)分析薄膜相结构和生长取向,扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜表面形貌和截面特征,介电阻抗测试仪测试薄膜介电性能。主要成果如下:
　　1. Ce掺杂主要提高薄膜介电调谐率,Mg掺杂主要降低薄膜介电损耗, Ce/Mg(3 mol％)(首层1 mol％Ce掺杂,2~6层3 mol％Mg掺杂)掺杂BST薄膜介电常数小于330,40 V偏压和100 kHz时,薄膜介电调谐率达到31.37％,薄膜介电损耗低于1.2％,优质因子为30.75。
　　2.将高介电调谐率Mg/Ce(奇数层3 mol％Mg掺杂,偶数层1 mol％Ce掺杂)交替掺杂BST薄膜优化为Ce/Mg(奇数层Ce掺杂,偶数层Mg掺杂)交替掺杂BST薄膜后具有更好的介电性能。Ce/Mg(1 mol％Ce掺杂,3 mol％Mg掺杂)交替掺杂BST薄膜在20 V偏压和100 kHz下,介电调谐率达到63.55％、介电损耗低于1.75％,优质因子达到77.5。在40 V偏压下,介电调谐率和优质因子分别达到71.77％和86.47。
　　3.将低介电损耗Mg/Ce(奇数层10 mol％Mg掺杂,偶数层1 mol％Ce掺杂)交替掺杂 BST薄膜优化为 Ce/Mg交替掺杂 BST薄膜后具有更高的耐压能力。Ce/Mg(1 mol％Ce掺杂,10 mol％Mg掺杂)交替掺杂BST薄膜耐压达到40 V。在偏压20 V和100 kHz时,其介电调谐率为34.68％,介电损耗低于1.18％,优质因子为38.97,较Mg/Ce交替掺杂BST薄膜的介电损耗进一步降低。在40 V偏压时, Ce/Mg交替掺杂BST薄膜的介电调谐率和优质因子分别达到51.50％和58.52。
　　4.通过细化薄膜表面晶粒和减少孔洞等方法可增加 BST薄膜的致密性。Ce掺杂薄膜作首层时,交替掺杂BST薄膜表面的晶粒更小、致密度更高,内部裂纹更少,薄膜与基底匹配更好。BST薄膜的介电调谐率提高、介电常数和介电损耗减小,综合介电调谐性能更优异。

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第一章 绪 论

1.1 BST薄膜结构及有关理论

1.2铈掺杂BST薄膜研究概况

1.3镁掺杂BST薄膜研究概况

1.4交替掺杂BST薄膜研究概况

1.5论文创新与主要内容

第二章 交替掺杂薄膜设计

2.1薄膜设计

2.2薄膜制备方法介绍

2.3薄膜表征及测试方法介绍

第三章 BST薄膜一元掺杂

3.1铈掺杂BST薄膜

3.2铈掺杂BST薄膜优化

3.3镁掺杂BST薄膜

3.4镁掺杂BST薄膜优化

3.5 SEM分析

3.6本章小结

第四章 铈镁交替掺杂BST薄膜

4.1铈/镁交替掺杂BST薄膜

4.2镁/铈交替掺杂BST薄膜

4.3本章小结

第五章 铈镁交替掺杂BST薄膜优化

5.1低浓度铈镁交替掺杂薄膜

5.2高浓度铈镁交替掺杂薄膜

5.3频率对介电性能影响

5.4 SEM分析

5.5本章小结

第六章 成果及展望

6.1成果

6.2展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果