钛酸锶钡薄膜的磁控溅射法制备及其性能研究

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近年来,钛酸锶钡Ba1-xSrxTiO3(BST)铁电体材料因为其介电常数随外加电场非线性变化,且具有高的介电常数可调性、相对低的介质损耗等优异特性,成为新型微波调谐器件,如铁电移相器的重要候选材料。随着器件小型化和集成化的发展,BST介电薄膜成为近年来的研究热点。本文以BST薄膜材料为主要研究对象,采用磁控溅射法作为薄膜材料的制备手段,重点探索了BST薄膜的掺杂改性与衬底优化等科学问题,为发展可调谐器件用高质量BST薄膜材料提供技术途径和知识积累。  本研究主要内容包括:⑴用电子陶瓷烧结工艺设计并制备了不掺杂、单掺镧、单掺锰以及镧锰共掺杂的BST陶瓷靶材。利用这些陶瓷靶材成功制备了无BaO和SrO杂相存在的钙钛矿结构BST薄膜。⑵研究了衬底温度Ts、氧分压[O2/(O2+Ar)]等溅射参数对BST薄膜的微观结构和介电性能的影响。衬底温度为700℃时,在保持较低介电损耗的前提下,BST薄膜的电容和可调性明显提高。随着氧分压从从10%增大到30%,BST(110)取向逐渐增强,介电损耗逐渐增大。氧分压为20%的BST薄膜电容最大,可调性最大,介电损耗也保持较低,所以综合介电性能最好。⑶系统研究了不同La/Mn掺杂量对BST薄膜的微结构及性能影响,并且重点探索了A/B位La/Mn二元共掺杂对BST薄膜性能影响机制。结果分析表明,单掺La提高了BST薄膜的介电常数和可调性,但同时介电损耗也增加了。而对BST薄膜进行La/Mn共掺杂时,掺锰却有利于介电损耗降低。利用0.6 mol% La+0.5 mol% Mn共掺杂的过量BaO和SrO的Ba0.6Sr0.4TiO3靶材溅射所得的BST-LM1薄膜的优值因子最高,高达35.06@700 kV/cm,与文献中报道的相同条件下在Si衬底上生长的BST薄膜的介电性能具有很大的可比性。⑷在LaNiO3/Si衬底上引入SrRuO3作为BST薄膜的缓冲层,成功制备了具有(100)择优取向的SRO缓冲层。与无缓冲层的BST薄膜相比,采用快退火SRO为缓冲层的BST薄膜可调性并没有提高,但是介电损耗有降低,优值因子提高了,即综合介电性能有所提高。⑸以LNO为底电极,实现了在宽禁带半导体衬底SiC生长了高介电性能的BST薄膜。与在Si衬底上生长BST薄膜相比,SiC上BST薄膜结晶性更好,可调性更高(61.22%@700 kV/cm),以及介电常数温度系数绝对值更低(6.88×10-4/K)。另外,当SiC上BST薄膜厚度增加到430 nm,可调性更高(68.09%),介电损耗更低(0.00987),FOM值更高(68.99),该薄膜的高可调性与薄膜受到较小的面内张应力有关。⑹研究了不同SrTiO3衬底取向对BST薄膜的微结构与介电性能。衬底为STO(111)时,所生长的BST薄膜呈高度(111)取向,可调性适中(67.2%@21V),介电损耗较低,优值因子(28.78@21V)也较高,综合介电性能优于在STO(100)衬底上生长的BST薄膜。
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