论文部分内容阅读
钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3，BST)薄膜具有介电常数随外加电场变化的非线性特性，在电调谐微波器件领域具有广阔的应用前景。然而，BST薄膜与其块体陶瓷相比介电性能相差很多，尤其是介电损耗要高一个数量级，成为制约其应用的主要原因。本文研制了一系列陶瓷靶材，并采用激光脉冲沉积法(PLD)制备BST薄膜，通过优化工艺条件和掺杂改性提高薄膜的介电性能和调谐特性。
本文研究了Cr、Bi两种掺杂元素对钛酸锶钡(Ba06Sr0.4TiO3)陶瓷靶材介电、调谐性能的影响。少量的受主Cr掺杂在一定程度上提高了陶瓷的调谐率，显著降低了陶瓷的介电损耗。当Cr掺杂量在≤1.0mol％时，BST陶瓷的介电损耗可以降低到0.001以下(1MHz，室温)，从而有效提高了材料的综合性能，0.4～0.6mol％Cr掺杂BST陶瓷的FoM值可达500，而未掺杂样品仅在60左右。Cr掺杂对BST陶瓷性能的优化为PLD法制备优质薄膜奠定了基础。适量的Bi掺杂(3.0～5.0mol％)可以显著提高BST体系的调谐率，但也在一定程度上增大了介电损耗，导致掺杂的整体效果不太明显。
本文系统地研究了PLD制备薄膜过程中的沉积氧压、退火氧压、衬底温度、激光能量对BST薄膜的微观结构和介电、调谐性能的影响，从而优化了工艺条件。
结果表明，降低薄膜沉积过程中的氧压，有利于获得致密、高度(111)择优取向的薄膜。虽然在较高氧压下生长的薄膜调谐率较高，但损耗的急剧增大，导致薄膜的综合性能变差。而提高薄膜原位退火过程中的氧压可以抑制薄膜中氧元素的逸失，降低氧缺陷浓度，从而显著改善薄膜的电性能。因此，采用较低的沉积氧压、高的退火氧压是一种优化薄膜性能的可行途径。
提高衬底温度可以促进薄膜的晶化，提高薄膜调谐率，但也在更大的程度上引起薄膜损耗的增大，综合来说，在700℃的衬底温度下生长的薄膜综合性能较优。控制激光的能量密度可以获得不同织构的BST薄膜。当激光能量密度为2.4J/cm2时，薄膜的断面形貌为“柱状”，提高激光能量薄膜转为“块状”织构。薄膜的调谐率随激光能量密度的提高而减小，在1MHz以上介电损耗随激光能量密度的提高而增大。实验表明，在沉积氧压为5mTorr，退火氧压为200mTorr，衬底温度为700℃，激光能量密度为2.4J/cm2的工艺条件下，薄膜具有较优化的介电与调谐性能。
在研究PLD工艺条件的基础上，制备了一系列Cr掺杂BST薄膜。薄膜晶格常数随Cr含量的增大而增大，所有薄膜的晶格常数均大于相应的靶材。Cr掺杂可以明显降低BST薄膜高频介电损耗，对薄膜的调谐特性有显著的作用。在15V外加直流电场下，纯组分样品的调谐率为20.5％，而所有掺杂样品的调谐率都在30％以上。当掺杂含量为1.0mol％时，BST薄膜具有最佳的综合性能，其调谐率、介电损耗和优质因子分别为：33.8％，0.0096和35.2，可望在微波调谐器件领域获得应用。