鈦酸鍶鉛薄膜的制備及介電調諧性能研究.pdf

1、介電可調微波器件中應用的微波介電材料應具有較高的優(yōu)值，即可調性能和介質損耗的比值，因此，材料要具有盡可能高的調諧率，同時損耗要低。調諧量指的是在一定溫度下，介電常數在某直流場強作用下的變化率，即調諧量=[ε(0，T)-ε(E，T)]/ε(0，T)。其中，順電相鈦酸鍶鋇(BST)材料以其具有高的介電常數、低的介電損耗、大的調諧率、快的反應速度和好的抗擊穿能力而備受青睞，廣泛應用于可調諧微波集成器件領域，如：可調性濾波器、移相器、微波諧振器

2、、變容()極管、實時延遲器件以及相陣列天線等。然而，較大的介電損耗，特別是在微波頻率范圍，限制了BST材料的進一步發(fā)展；同時，BST材料較高的生成溫度和大的漏電導也成為它在實際應用中的主要障礙，生成溫度高對半導體器件的集成化非常有害，而大的漏電導則會限制它在更薄的薄膜中應用。 最近，國際著名的鐵電材料學家、美國賓州大學的L.EricCross等人對鈦酸鍶鉛(PST)塊體材料進行了研究，發(fā)現PST材料在具有較高可調性的同時，有相當

3、低的介電損耗。同時，它還是一種互溶性良好的鈣鈦礦鐵電材料，其居里溫度Tc可較容易地調至室溫附近。因此，Cross等指出PST是一種適用于電場調節(jié)元件的材料。由于鈦酸鍶鉛(PST)陶瓷在介電性能方面與鈦酸鍶鋇(BST)陶瓷非常具有可比性，從而也已經展開對PST薄膜的研究工作，但報導甚少，還處在起步階段。已有報道用溶膠—凝膠方法獲得PST薄膜的介電常數電調諧率約20～50％、介電損耗為2～5％，但與Cross等人報道的數據相比，薄膜的性能還

4、遠未達到期望值，許多問題急待深入地研究和解決。本論文采用溶膠—凝膠方法制備Pb、Sr()TiO()薄膜，研究了熱處理制度、組分以及溶膠濃度對薄膜微觀結構和介電調諧性能的影響。 在采用快速熱處理方式制備薄膜的過程中，發(fā)現預晶化溫度對PST薄膜結晶和生長有著顯著的影響，預晶化溫度的提高有利于薄膜晶粒的長大和結晶的完善，從而提高薄膜的介電調諧性能，但預晶化溫度過高，則反而會由于底電極與薄膜之間過于強烈的空間電荷極化作用導致薄膜損耗的增

5、大。在合適的熱處理制度下制備的PST(30/70)薄膜和PST(40/60)薄膜的調諧率均在60％左右，最高達到71.9％(測試頻率為1MHz，E=300Kv/cm)，此數值較國際上相關報道的要高，但是薄膜的介電損耗與報道值相比沒有明顯的下降。 在熱處理制度一致的情況下，研究了Pb/Sr比對PbxSr1-xTiO2(x=0.1，0.2，0.3，0.4)系列薄膜微觀結構及其介電性能的影響，由于鉛含量的增加會使薄膜的整體性能偏向鈦酸

6、鉛薄膜的鐵電特性，因此隨著x從0.1增加到0.4，PST薄膜在調諧率增大的同時損耗也隨之增大。當Pb/Sr值為30/70時，薄膜的晶粒大而均勻，結構致密，其優(yōu)值最高，在1MHz的測試頻率下，調諧率、損耗因子和優(yōu)值分別為61.0％、0.022和28(E=300Kv/cm)。 值得一提的是，溶膠濃度的降低對PST薄膜的結構有著重大影響，進而也影響著其介電性能。當PST溶膠濃度由0.4M降為0.2M后，薄膜由層狀生長變?yōu)槊黠@的柱狀生長