BST组分梯度铁电薄膜的性能研究

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钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3,BST)薄膜是钛酸钡、钛酸锶的固溶体,它具有介电常数大、介电损耗低、调谐率高以及温度稳定性能好等特点,因而在介质移相器、压控振荡器等领域有广泛的应用前景。组分梯度结构BST薄膜可拓宽材料的温度稳定区间,从而改善薄膜的温度稳定性能;可缓和材料内部的应力及界面效应等,继而提高薄膜的介电性能,成为目前国内外的研究热点。本文研究了磁控溅射法制备BST铁电薄膜的工艺技术,沉积了上组分梯度结构、下组分梯度结构和单层结构共三类BST薄膜,分析了这些薄膜的介电性能、温度稳定性能和微结构性能以及不同缓冲层对薄膜介电性能的影响,并证实了薄膜内部组分梯度结构的存在。实验结果表明:随着溅射时间的延长(90min-150min),薄膜的优值因子从47.3降至3.5;随着退火温度的升高(550℃-650℃),薄膜的优值因子从56.3降至37.5;而在20%-40%的溅射氧分压条件下,氧分压为30%时薄膜的优值因子达到最高值54.7。相比于单层结构和上组分梯度结构,下组分梯度结构BST薄膜具有最小的介温变化率7.8%、最高的优值因子66.2和最低的表面粗糙度1.418nm;组分梯度结构有效的解决了BST薄膜的温度稳定性问题,改善了薄膜的介电性能。此外,缓冲层的引入有利于促进材料的生长结晶,缓和薄膜与基片之间的晶格失配,从而改善薄膜的介电性能;溅射有同质缓冲层的BST薄膜具有最好的结晶性能和最高的优值因子53.3。
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