论文部分内容阅读
钛酸锶钡(Ba<,1-x>Sr<,x>TiO<,3>，BST)是典型的非线性电介质材料。其交变小信号介电常数较大，并随外加直流偏压的改变而变化显著，因而有望成为电可调射频/微波集成器件的关键材料。然而，大量研究表明调谐率提高的同时往往伴随着损耗的上升，介电损耗严重影响着调谐器件的插入损耗和移相/噪声比，因此高调谐与低损耗间的矛盾是制约非线性介电薄膜微波调谐应用的核心问题。本文采用异质缓冲层和掺杂改性的方法，保持薄膜较高调谐率的同时显著降低介电损耗，提高BST薄膜介电调谐的协调性。此外本文探讨了(Ba+Sr)/Ti比对薄膜介电性能的影响，首次探索了Ti基片上BST薄膜的制备科学，优化LaNiO<,3>(LNO)缓冲层厚度和BST晶化温度，提高了BST/LNO/Ti复合结构介电性能。
本文采用脉冲激光沉积法(PLD)在Pt/Ti/SiO<,2>/Si衬底上制备BST薄膜，研究了MgO缓冲层厚度对BST薄膜介电及调谐性能的影响。MgO缓冲层有效阻挡了BST薄膜和Pt底电极间的界面扩散，抑制界面非晶相(PtO<,x>)的生成，提高BST薄膜的择优取向。薄膜的介电损耗和漏电流密度随MgO厚度的增加显著降低，然而薄膜介电常数和调谐率也相应减小。优化缓冲层厚度可以提高薄膜调谐率、损耗和漏电流的协调性，MgO为10 nm的BST薄膜调谐率、损耗和优值分别为30.1％，0.009和33.4(1MHz，300kV/cm)，漏电流为1.8×10<-6>A/cm<2>(300kV/cm)，综合性能较无缓冲层BST薄膜有明显的提高。
在此基础上，本文研究了BST/MgO(10 nm)薄膜的Fe、cr掺杂改性。适量Fe掺杂能有效抑制氧空位的施主行为，降低薄膜的漏电流密度和介电损耗，提高薄膜的优值。0.4 mol％Fe掺杂BST/MgO(10nm)薄膜调谐率、损耗和优值分别为30.7％，0.007和43.2(1MHz，300kV/cm)。适量Cr掺杂能增强薄膜(111)择优取向，薄膜表面形貌呈现"三角形"晶粒，断面织构从"块状"转变为"柱状"结构，并在降低漏电流和介电损耗的同时能在一定程度上提高薄膜的调谐率。1.0 mol％Cr掺杂的样品调谐率、损耗和优值分别为32.6％、0.006和54.3(1MHz，300kV/cm)，漏电流仅为5.5×10<-8>A/cm<2>(300kV/cm)，绝缘场强显著增大。该样品在高电场下的调谐率、损耗和优值分别达到了51.6％、0.0066和78.2(1MHz，600kV/cm)，其综合性能较未掺杂的样品有大幅度的提高。就掺杂改性的效果而言，Cr掺杂优于Fe掺杂，1.0 mol％Cr掺杂BST/MgO薄膜有望在微波调谐器件领域获得应用。本文采用溶胶凝胶法在Pt/Ti/SiO<,2>/Si衬底上沉积了不同(Ba+Sr)/Ti计量比的BST薄膜，讨论了非化学计量比薄膜的介电调谐性能。(Ba+Sr)/Ti比在0.87-1.00范围的BST薄膜调谐率和损耗协调性较好。
此外，本文首次探索了钛衬底(Ti)上溶胶凝胶法制备BST薄膜的工艺过程。BST薄膜与Ti衬底间的晶格失配和热失配较大，在空气中热处理时薄膜与衬底易发生互反应。通过优化LNO缓冲层厚度和BST热处理工艺，薄膜的结晶性显著改善，介电调谐性能提高，介电损耗降低。INO缓冲层厚度为150 nm，BST晶化温度为700℃的薄膜调谐率和损耗分别为32.8％、0.022(1MHz，250kV/cm)，介电综合性能与sol-gel法在Pt底电极Si衬底上制备的BST薄膜具有可比性。