高浓度交替掺杂BST薄膜的制备及介电性能

摘要

钛酸锶钡(BST)薄膜作为可以替代铁氧体和半导体的主要候选材料,在诸多领域尤其是微波调谐领域具有广泛的应用前景,成为近十多年来的一个研究焦点。但是,要实现BST薄膜的应用尤其是微波调谐领域的应用,要求BST薄膜同时具有低的介电常数、高的介电调谐率、低的介电损耗、高的优质因子等优异的综合介电性能,必须克服纯BST薄膜这些介电性能同步变化的固有局限性。本研究团队在前期研究中对BST薄膜进行了钇(Y)/锰(Mn)交替掺杂以及钾(K)/镁(Mg)交替掺杂,取得了巨大的研究进展,在很大程度上克服了BST薄膜该固有局限性。但是,对于BST薄膜来说,上述交替掺杂仅仅是涉及一个崭新研究领域的开始,还必须进行系统深入的研究才能揭示其机理规律,也才能获取更加优异的综合介电调谐性能。因此,本论文在前期研究基础上,主要就钾(K)铈(Ce)交替掺杂BST薄膜和钾(K)锰(Mn)交替掺杂BST薄膜有关掺杂浓度及掺杂结构进行创新性研究,以期充分发挥交替掺杂的优势,获得所需的优异BST薄膜以满足微波调谐应用需要。
　　主要利用XRD、SEM以及HP4294A阻抗分析仪研究了高浓度(掺杂浓度超过5mol％)交替掺杂BST薄膜的结构及介电性能,取得了以下创新性成果:
　　1.高浓度交替掺杂使BST薄膜在低偏压下显示高调谐率。其中,Ce(1％)掺杂BST薄膜与K(7.5％)掺杂BST薄膜在±10V偏压下的调谐率分别为52.5％、50％,介电损耗分别0.032、0.032;而Ce(1％)/K(7.5％)交替掺杂BST薄膜在±10V偏压下的调谐率高达62.7％,介电损耗为0.033,表现出良好的调谐性能。
　　2.交替掺杂浓度的差异改进使BST薄膜的介电损耗大幅度降低。保持K掺杂浓度为5mol％,随着Ce掺杂浓度的增大,Ce/K交替掺杂BST薄膜的晶粒不断变小,介电损耗不断降低,当Ce掺杂浓度从0.5mol％增至4mol％时,介电损耗从0.046降至0.025;保持K掺杂浓度为5mol％,随Mn掺杂浓度的增大,Mn/K交替掺杂BST薄膜的晶粒及介电损耗先减小后增大,当Mn掺杂浓度为5mol％时具有最小的晶粒及最低的介电损耗,在±20V偏压范围内介电损耗不超过0.021,调谐率为54.1％,优质因子达到25.8;保持Mn掺杂浓度为5mol％,随着K掺杂浓度的增大, Mn/K交替掺杂BST薄膜的介电损耗先减小后增大,当K掺杂浓度为15mol％时具有最低的介电损耗,在±20V偏压范围内介电损耗不超过0.016,调谐率为45.9％,优质因子达到28.7。
　　3.掺杂结构的创新设计进一步优化BST薄膜的综合介电性能。以K掺杂薄膜作为首层,可促进薄膜内部晶粒长大;以Mn掺杂薄膜作为表层,可减少薄膜表面孔洞及裂纹。与Mn/K交替掺杂相比,K/Mn交替掺杂使薄膜具有更优异的综合介电性能。其中, K(10％)/Mn(5％)交替掺杂薄膜在±40V偏压范围内损耗为0.007~0.01,介电常数适中偏小(446),调谐率为41.8％,优质因子达41.8。7层Mn/K/Mn交替掺杂有助于薄膜晶粒的长大及致密性的提高,使BST薄膜的耐压性能和调谐性能大幅度提高。Mn/K/Mn(其中,Mn掺杂浓度为5mol％,K掺杂浓度为20mol％)交替掺杂薄膜在±40V偏压范围内损耗不高于0.015,调谐率达61.2％,优质因子达到40.8,表现出非常优异的调谐性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 BST薄膜的研究背景

1.2 BST的特点

1.3 BST薄膜掺杂改性研究进展

1.4 论文内容安排

第二章 BST薄膜的制备及工艺

2.1 Sol-gel法基本原理

2.2 Sol-gel法BST薄膜的制备

2.3 薄膜测试方法

2.4 工艺改进研究

2.5 本章小结

第三章 高浓度交替掺杂BST薄膜的设计及研究

3.1 BST薄膜设计

3.2 一元掺杂BST薄膜

3.3 高浓度铈钾交替掺杂BST薄膜

3.4 高浓度钾锰交替掺杂BST薄膜

3.5 本章小结

第四章 高浓度交替掺杂BST薄膜的性能优化

4.1 掺杂浓度优化

4.2 掺杂结构优化

4.3 频率特性分析

4.4 本章小结

第五章 主要结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果