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《河南大学》 2016年
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脉冲激光沉积法制备BaSn_(0.15)Ti_(0.85)O_3薄膜及其介电性能的研究

陈生田  
【摘要】:压控调谐介质材料因为在移相器、滤波器、电压可调谐振器和容量可调电容器等电子电路元器件中的广泛应用而成为研究的热点。目前有关研究主要集中于钛酸锶、钛酸锶钡等材料。其中,广泛被研究的钛酸锶钡材料具有很多优点,比如,介电常数高、介电损耗相对较低、电压调谐率高、居里温度容易调控、抗击穿能力强、制造工艺简单等,成为了最重要也是应用最广泛的电场可调电介质材料。然而,虽然研究者对以钛酸锶钡为代表的压控调谐介质材料进行了大量的研究工作,取得了许多有意义的成果,但是这类材料在实际应用中的局限性仍然没有被完全克服。钛酸锶钡薄膜结晶温度高、损耗大、漏电流密度大的问题依然存在,大大限制了其工业化应用。因此,在对钛酸锶钡压控调谐介质材料继续进行改良研究的同时也一直在努力寻找性能更优异的替代材料。近年来,研究发现锡钛酸钡介质材料同样具有很强的压控调谐介电性能,且介电损耗小,是一种在压控调谐介质器件方面具有广阔应用前景的介质材料。锡钛酸钡是一个由钛酸钡和锡酸钡组成的二元固溶体系,它们晶体结构类似,都具有ABO_3型钙钛矿结构,二者能无限固溶。跟其它钛酸钡基固溶体类似,锡钛酸钡的性能可以通过组分和显微结构来进行调节。锡钛酸钡里的锡元素的作用和锆钛酸钡里锆元素的作用类似,使固溶体介电常数的峰值向低温移动。如果固溶体中锡元素所占的比例适当,可使介电常数峰值大幅度的增大;且随着固溶体中锡元素的比例继续增大,峰值会出现一定程度的降低但是峰的宽度会增加,这样就实现了控制调节居里温度附近的介电常数以及介电常数随温度的变化幅度。目前,国内外对锡钛酸钡陶瓷的介电性质有了一定的研究报道,而对锡钛酸钡薄膜的介电性能的研究却比较少,众所周知,由于“尺寸效应”的影响,薄膜材料与其对应的块状陶瓷相比,无论是物理性质还是电学性能都有很大差异,绝不能简单的把薄膜看成是块状材料在尺寸上的减薄。为了促进锡钛酸钡薄膜的进一步应用,我们使用脉冲激光法来沉积锡钛酸钡薄膜,通过改变温度、氧压、基底、退火温度等变量来摸索薄膜的最优制备条件,取得了一些有意义的成果。通过研究发现,使用脉冲激光沉积法制备锡钛酸钡薄膜的最佳衬底温度是650°C、最优氧压为15 Pa,在该条件下沉积的锡钛酸钡薄膜介电常数为341,调谐率高达72%,损耗可以低至10-3量级,品质因数为81.1,最低的漏电流密度为5.9×10-10 cm~2,这种高调谐、低损耗、合适介电常数、低漏电流密度的特点可使锡钛酸钡薄膜在可调微波器件领域具有广阔的应用前景。
【关键词】:脉冲激光沉积 BaSn_(0.15)Ti_(0.85)O_3 介电薄膜 高调谐率 低介电损耗
【学位授予单位】:河南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O484
【目录】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-11
  • 第一章 绪论11-25
  • 1.1 前言11
  • 1.2 电介质材料11-15
  • 1.2.1 电介质材料概述11-12
  • 1.2.2 压控调谐介质薄膜材料12-14
  • 1.2.3 压控调谐介质薄膜材料的种类14-15
  • 1.3 BaSn_xTi_(1-x)O_3材料15-19
  • 1.3.1 钛酸钡的简介15-17
  • 1.3.2 锡钛酸钡的简介17
  • 1.3.3 锡钛酸钡的研究进展17-19
  • 1.4 课题的研究内容及意义19-22
  • 1.4.1 研究意义19-20
  • 1.4.2 主要内容20-22
  • 参考文献22-25
  • 第二章 制备技术及表征方法25-36
  • 2.1 前言25
  • 2.2 制备技术25-30
  • 2.2.1 磁控溅射沉积25-27
  • 2.2.2 脉冲激光沉积27-30
  • 2.3 表征方法30-35
  • 2.3.1 微观结构表征30-33
  • 2.3.2 电学性能测试33-34
  • 2.3.3 光学性能测试34-35
  • 参考文献35-36
  • 第三章 氧压、衬底温度对BTS薄膜性能影响的研究36-57
  • 3.1 前言36
  • 3.2 实验过程36-38
  • 3.2.1 BTS陶瓷靶材的制备36-37
  • 3.2.2 BTS薄膜的制备37-38
  • 3.2.3 BTS薄膜样品的表征38
  • 3.3 氧压对BTS薄膜的影响分析38-44
  • 3.3.1 氧压对BTS薄膜晶体结构的影响38-39
  • 3.3.2 氧压对BTS薄膜微观形貌的影响39-40
  • 3.3.3 氧压对BTS薄膜介电性能的影响40-44
  • 3.3.4 BTS薄膜的光学透过率44
  • 3.4 衬底温度对BTS薄膜的影响分析44-53
  • 3.4.1 衬底温度对BTS晶体结构的影响45-46
  • 3.4.2 衬底温度对BTS薄膜表面形貌的影响46-47
  • 3.4.3 衬底温度对BTS薄膜介电性能的影响47-51
  • 3.4.4 衬底温度对BTS薄膜漏电流密度的影响51-52
  • 3.4.5 衬底温度对BTS薄膜铁电性能的影响52-53
  • 3.5 本章小结53-54
  • 参考文献54-57
  • 第四章 退火温度对Pt/BTS/M薄膜器件介电性能影响的研究57-83
  • 4.1 前言57-58
  • 4.2 实验过程58-59
  • 4.2.1 BTS薄膜的制备及退火处理58-59
  • 4.2.2 退火处理后BTS薄膜样品的表征59
  • 4.3 退火温度对Pt/BTS/ITO薄膜器件的影响59-66
  • 4.3.1 退火温度对晶体结构的影响59-60
  • 4.3.2 退火温度对微观形貌的影响60-62
  • 4.3.3 退火温度对介电性能的影响62-66
  • 4.4 退火温度对Pt/BTS/FTO薄膜器件的影响66-72
  • 4.4.1 退火温度对晶体结构的影响66-67
  • 4.4.2 退火温度对微观形貌的影响67-68
  • 4.4.3 退火温度对介电性能的影响68-72
  • 4.5 退火温度对Pt/BTS/Pt薄膜器件的影响72-76
  • 4.5.1 退火温度对晶体结构的影响72-73
  • 4.5.2 退火温度对微观形貌的影响73-74
  • 4.5.3 退火温度对介电性能的影响74-76
  • 4.6 不同基底制备的BTS薄膜介电性能的比较76-78
  • 4.7 本章小结78-80
  • 参考文献80-83
  • 第五章 总结与展望83-85
  • 5.1 主要结论83-84
  • 5.2 展望84-85
  • 攻读硕士期间发表的学术论文目录85-86
  • 致谢86-87

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