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Sol-gel法Mg掺杂PST薄膜的制备与介电性能研究

隋帅  
【摘要】:微波可调介电材料在微波可调元器件上有着广阔的应用背景,如相控阵天 线上的移相器,谐振器,滤波器等。就研究体系而言,目前主要集中在钙钛矿相 铁电材料,如钛酸锶钡(BST)及其掺杂系列。最近Cross等发现钛酸锶铅(PST) 陶瓷具有较高可调性和相当低的介电损耗,是一种非常适用于电场调节元件的材 料。与BST相比,特别作为薄膜材料,PST的铁电临界尺寸较小,晶化温度较 低,制备工艺与Si微电子工艺兼容,更能够满足高性能的Si基集成电路的需要, 对推动现代器件发展的小型化和集成化具有十分重要的意义。目前国内外对于 PST薄膜材料的研究刚刚起步,对其的掺杂改性研究还不多。近年来的研究发现, Mg是非常有效的掺杂剂之一,但对于其影响机制,目前还不是很清楚,所以还 需要对Mg离子掺杂改性进行多方面的研究。 本文全面综述了微波可调铁电薄膜材料的研究发展,总结了溶胶凝胶技术在 制备此类材料中的应用,简要介绍了铁电材料微波可调的基本原理及其应用。 本文采用溶胶凝胶镀膜技术,通过微量Mg离子掺杂同时改进热处理工艺等 手段,在ITO基板上成功制备了多晶立方钙钛矿相Pb0. 4Sr0. 6MgxTi1-xO3-x(以下称 PST)薄膜。发现利用溶胶凝胶法制备的PST薄膜的晶相形成和晶相含量受热处 理条件和Mg的掺杂量所控制。在一定的掺杂范围内,由掺杂引起的晶格畸变较 小时,体系掺Mg平衡了晶体内本征氧空位引入的电荷不平衡,使晶相更为稳定, 析晶能力提高,晶相含量随掺杂浓度的增大而提高。掺杂量偏离缺陷补偿平衡点 时,Mg掺杂引入额外的氧空位,晶格畸变增大使得形成的晶相不稳定,析晶能 力下降,最终使晶相含量下降。 Mg的掺入还影响到析晶与热处理过程之间的关系。在高Mg掺量范围,Mg 含量越高,形成的晶相越不稳定,热处理时间越长,使热处理过程中分解的晶相 量越多,随Mg掺量越高和热处理时间越长,薄膜中晶相含量越低。 发现在相同条件下制备的PST薄膜中,Mg掺杂在x约为0. 03时,体系内 的电荷补偿达到平衡,晶相相对较完整,体系晶相含量和介电常数相对达最大。 这时那些在低频下有条件建立的极化子,其建立极化时所需克服的势垒较大,在 相对较低频率下就出现弛豫和不再跟随外场变化。当Mg掺量高于x=0. 03时, 浙江大学硕1:学位论文 体系中的Mg离子反而引入了额外的氧空位缺陷,不利于晶相形成,钙钦矿相含 量减小,介电常数相对降低。同时,相对较不完整的晶相结构,使弛豫出现在较 高频率下。 发现热处理温度对PST薄膜的介电性能有两种相对的影响作用,薄膜的介 电电容值随着烧结温度的增加出现一个极大值。在较低的温度时,烧结温度的升 高,晶体含量增加,有利于薄膜介电电容值增大的作用占据优势。当温度达到一 定值时,由温度升高产生的氧空位缺陷,开始超过晶体含量增加对介电电容值的 影响占据主导地位,介电电容值开始降低。 高Mg掺杂量PST薄膜介电电容值在相对低的烧结温度出现极大值。高Mg 掺杂量相对引入了较多的氧空位,在相对低温下即对PST薄膜的介电电容值的 减小作用,较晶体含量对介电电容值的增大作用占主导地位,介电电容值在较低 的温度出现极大值。 Mg掺杂PST薄膜的可调性随测试频率的变化而不同,在测量范围内,频率 为10OKHz时薄膜调谐性最大,调谐量达到20一30%(外加偏压为24V)。零偏 压下的损耗因子为0.5。综合考虑可调性和损耗得到薄膜的优值K在10‘数量级。 关键词:钦酸铭铅,Mg掺杂,薄膜,501一sel,介电性能


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