PST陶瓷及薄膜材料研究

【摘要】： 铁电材料在微波可调器件上有着广阔的应用前景，如移相器、谐振器、滤波器等，目前这类材料中研究得最成熟是Ba_xSr_(1-x)TiO_3(BST)及其掺杂系列。而最近，Cross等发现Pb_xSr_(1-x)TiO_3(PST)陶瓷介电系数可调率高达70％，损耗低于0.1％，并且其薄膜具有比BST更低的晶化温度，有望成为一种更有发展前景的微波器件材料。 本文采用传统陶瓷工艺制备了PST(x=0.2-0.8)陶瓷，研究了Pb／Sr比对材料微结构和介电性能的影响，优选出了介质移相器用PST靶材配比；对靶材中的Pb过量及其制备工艺进行了研究，并制备了PST30陶瓷耙材；用射频磁控溅射法制备PST薄膜，并研究了不同基片，基片温度、溅射功率、氧氩比以及退火温度对PST薄膜性能的影响。实验结果表明： PST陶瓷在Pb含量为45％时由立方顺电相向四方铁电相转变：x＜0.45时，P_r和E_c都很小，无明显的电滞回线；x≥0.45时，具有明显的电滞回线，P_r和E_c都很大且随x增大而增大。随Pb／Sr比增大，PST陶瓷的烧结温度逐渐降低，相同温度烧结时，随Pb／Sr比增大陶瓷的气孔率下降，致密度增加，晶粒尺寸逐渐增大，T_c近似线性地向高温方向移动，且均比T_0高4.6～11.4℃；此外，PST陶瓷还具有一致的居里常数，约为0.63×10~5℃。PST陶瓷在900℃下预烧2h可形成完整的钙钛矿结构且有残余的Pb_3O_4相；烧结温度过高以及过量的Pb都会导致电滞回线出现异常的“束腰”现象。 Pb过量为3mol％的PST30陶瓷，在900℃预烧，1250℃烧结时具有最佳性能，适合作为介质移相器用溅射靶材。制备出的PST靶材平整均匀、致密度高达98.46％。 本射频磁控溅射制备PST薄膜的优化工艺条件为：基片温度400℃，溅射功率100W，氧氩比1∶6，退火温度650℃，在此工艺下制备出的PST薄膜的可调率为32.46％，并得到PST薄膜的晶化温度为500℃。 在LaAlO_3(LAO)和Pt／Ti／SiO_2／Si基片上分别制备了PST薄膜，研究表明前者具有(100)择优取向，而后者为无明显择优取向的多晶薄膜，并且LAO基片上的PST薄膜具有更大的晶粒尺寸和可调率。