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Bi掺杂PST薄膜的制备及介电可调性能研究

赵永林  
【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。由于各种薄膜制备技术均有其自身的不足,加之影响薄膜质量的工艺因素较多,迄今为之,尚未获得同时具备高调谐性和低损耗的材料。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。 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Bi离子掺杂同时改进热处理工艺等手段,在ITO基板上制备了多晶立方钙钛矿相(Pb_(0.4)Sr_(0.6))_(1-3x/2)Bi_xTiO_3(以下称PST)薄膜、PST/Bi_2Ti_2O_7复相薄膜、Bi_2Ti_2O_7单相薄膜.通过XRD研究其结构和晶相形成,通过扫描电子显微镜观察形貌,利用高精度阻抗分析仪对薄膜样品的介电性能进行了测量。具体研究内容及结论如下: 适量的Bi掺杂(X=0.04~0.06)可以使单一钙钛矿相薄膜中晶粒尺寸较大,从而有助于薄膜介电性能尤其是可调性和优值的提高。同时发现,在Bi掺杂量较小时,钙钛矿薄膜的居里温度主要由薄膜中的Pb/Sr控制,当薄膜处于铁电相、在其居里温度附近,薄膜具有大的可调性。在热处理过程中,快速热处理过程可以使薄膜产生比相应温度平衡态析晶时更多的晶相量。这种高晶相含量薄膜在一定条件下,尤其在表面有分解和再结晶的趋势。 当Bi掺杂量很大时,薄膜不再以单一钙钛矿相存在,而是得到了钙钛矿和焦绿石相共存的复相薄膜。Bi离子在钙钛矿相和焦绿石相的形成中分别起到了相反的作用。Bi在钙钛矿相晶格中的固溶,使得钙钛矿相的稳定性下降,形成能力降低;Bi离子吸引O离子形成焦绿石相中的Bi_2O四面体网络。同时发现,上述两相的存在可以相互稳定,系统稳定性提高。


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