脉冲激光沉积法制备BaSn0.15Ti0.85O3薄膜及其介电性能的研究

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作者陈生田
来源河南大学
出版年2016
摘要
压控调谐介质材料因为在移相器、滤波器、电压可调谐振器和容量可调电容器等电子电路元器件中的广泛应用而成为研究的热点。目前有关研究主要集中于钛酸锶、钛酸锶钡等材料。其中,广泛被研究的钛酸锶钡材料具有很多优点,比如,介电常数高、介电损耗相对较低、电压调谐率高、居里温度容易调控、抗击穿能力强、制造工艺简单等,成为了最重要也是应用最广泛的电场可调电介质材料。然而,虽然研究者对以钛酸锶钡为代表的压控调谐介质材料进行了大量的研究工作,取得了许多有意义的成果,但是这类材料在实际应用中的局限性仍然没有被完全克服。钛酸锶钡薄膜结晶温度高、损耗大、漏电流密度大的问题依然存在,大大限制了其工业化应用。因此,在对钛酸锶钡压控调谐介质材料继续进行改良研究的同时也一直在努力寻找性能更优异的替代材料。近年来,研究发现锡钛酸钡介质材料同样具有很强的压控调谐介电性能,且介电损耗小,是一种在压控调谐介质器件方面具有广阔应用前景的介质材料。锡钛酸钡是一个由钛酸钡和锡酸钡组成的二元固溶体系,它们晶体结构类似,都具有ABO3型钙钛矿结构,二者能无限固溶。跟其它钛酸钡基固溶体类似,锡钛酸钡的性能可以通过组分和显微结构来进行调节。锡钛酸钡里的锡元素的作用和锆钛酸钡里锆元素的作用类似,使固溶体介电常数的峰值向低温移动。如果固溶体中锡元素所占的比例适当,可使介电常数峰值大幅度的增大;且随着固溶体中锡元素的比例继续增大,峰值会出现一定程度的降低但是峰的宽度会增加,这样就实现了控制调节居里温度附近的介电常数以及介电常数随温度的变化幅度。目前,国内外对锡钛酸钡陶瓷的介电性质有了一定的研究报道,而对锡钛酸钡薄膜的介电性能的研究却比较少,众所周知,由于“尺寸效应”的影响,薄膜材料与其对应的块状陶瓷相比,无论是物理性质还是电学性能都有很大差异,绝不能简单的把薄膜看成是块状材料在尺寸上的减薄。为了促进锡钛酸钡薄膜的进一步应用,我们使用脉冲激光法来沉积锡钛酸钡薄膜,通过改变温度、氧压、基底、退火温度等变量来摸索薄膜的最优制备条件,取得了一些有意义的成果。通过研究发现,使用脉冲激光沉积法制备锡钛酸钡薄膜的最佳衬底温度是650°C、最优氧压为15 Pa,在该条件下沉积的锡钛酸钡薄膜介电常数为341,调谐率高达72%,损耗可以低至10-3量级,品质因数为81.1,最低的漏电流密度为5.9×10-10 cm2,这种高调谐、低损耗、合适介电常数、低漏电流密度的特点可使锡钛酸钡薄膜在可调微波器件领域具有广阔的应用前景。

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