（材料学专业论文）钛酸锶钡非线性介质薄膜的高介电调谐率和低介电损耗的研究.pdf

博士学位论文钛酸锶钡非线性介质薄膜的高介电调谐率和低介电损耗的研究 摘要 b a n s r , t i 0 3 ( b s t ) 薄膜具有非线性效应，即材料的介电常数随着外加电场变 化的非线性特性，这种特点使它具有在电可调微波集成器件上有着广阔的应用前 景，正成为国际上研究的热点。然而，相对陶瓷材料而言，b s t 薄膜的较大的介 电损耗严重影响了其工程应用。本文采用s o l - - g e l 方法的薄膜制备技术路线， 研究了b s t 薄膜介电及其调谐性能与组分，结构，应力等的关系，以期保持b s t 薄膜高调谐率的同时，获得低介电损耗，提高优值( f o m ) 。 提高退火温度可以促进薄膜晶粒的发育，促进b a 0 。s r 。t i0 3 l a o 薄膜( 0 0 1 ) 择优取向。当退火温度由7 5 0 提高到1 1 0 0 时，( 0 0 1 ) 择优取向度由1 9 8 提高到9 9 8 ，从而提高了基底调谐率，降低了介电损耗。7 5 0 退火的b s t 薄 膜的介电调谐率和介电损耗分别为1 7 5 ( 1m h z ，8 0k v c m ) ，0 0 1 7 ；而经11 0 0 退火后，其介电调谐率提高到4 9 6 ，介电损耗仅为0 0 0 8 。结果表明，提高 退火温度，是提高薄膜介电调谐性能的一个有效的手段。 研究了不同化学计量比( b a s r ，( b a + s r ) t i ) b s t 薄膜的介电调谐特性。 在室温条件下，b s t 薄膜的介电常数，介电调谐率及损耗随着b a 含量的增加而 提高，而薄膜的优值在b a s r 比为6 0 4 0 时达到最大( 5 8 6 ) 。因此，在室温条件 下，b a o 。s r 。t i o 。是合适的b s t 薄膜组分。( b a + s r ) t i 比，对薄膜介电调谐性 能同样有着重要的影响，特别是对薄膜介电损耗。随着( b a + s r ) t i 比小于l 时，过量的t i 进入b s t 晶格位置。当t i 含量继续增加到1 3 ，多余的t i 将逐 渐富集于薄膜的晶界位置，从而形成了低介电常数的t i 0 2 第二相。s i 基底p t 电 极上，b a 。s r ，t i 。0 3 p t 薄膜的介电常数、调谐率和介电损耗，随t i 含量的增加 而减小。当t i 由i 0 提高到1 2 5 时，薄膜的介电调谐率和损耗分别由3 4 9 ， 0 0 2 8 下降到1 7 1 ，0 0 1 2 。虽然有效降低了介电损耗可是过于牺牲介电调谐 率。本文采用s o l - - g e l 方法制各多层结构薄膜，以改善b s t 材料的介电调谐性 能。与外延多层薄膜不同，本文发现多层结构在显著提高薄膜的介电常数和调谐 率的同时，介电损耗没有明显增加。由于采用s o l - - g e l 制备工艺，b s t 多层膜 呈现多晶特性。在各层膜界面区域，薄膜成分不均匀，在界面区域处产生了空间 电荷层，形成了有别于体介质高阻层的低阻层。正是这一特点，导致多层结构的 多晶薄膜的介电损耗没有明显增加。随着多层结构的引入， b o o 。s r 。t i 。o # b a o b s r 。t i 0 3 b a o 。s r 。t i 。0 3 薄膜的介电常数显著增加到3 8 8 ， 调谐率也增加到3 6 7 ，而介电损耗仅为0 0 1 3 ，性能大大优于b 矾。s r 。t i 。s o s 和b 她。s r 。4 t i 0 。薄膜。 微波器件使用的b s t 铁电薄膜往往是生长在特定的基底材料上，形成m i m 结构 或共平面波导结构( c p w ) 。电极材料和薄膜间界面处过多的缺陷会导致b s t 薄膜 介电性能的下降，困扰了集成铁电学器件发展。由于金属氧化物镍酸镧l n o ( 0 0 1 ) 电极和b s t 薄膜的晶体结构相似，诱导b s t 薄膜沿( 0 0 1 ) 择优生长，薄膜呈柱状 织构。l n o 电极改善了薄膜和电极材料问的界面局域处组分和结构的不均匀，提 高薄膜的介电常数和调谐率，且其介电迟豫会向高频方向移动。 由于b s t 薄膜和基底材料间的晶格常数失配和热膨胀系数失配，生长在不同 基底材料( l a o ，m 9 0 ) 上的b s t 薄膜的应力状态不尽相同，从而薄膜的微结构， 晶粒大小以及介电性能也有着明显差异。实验表明，较热膨胀系数失配而言，晶 格失配在薄膜应力应变中占主导地位。l a o 基底上的b s t 薄膜存在着压应力， 博士学位论文钛酸锯钡非线性介质薄膜的高介电调谐事和低舟电损耗的研究 呈现( 0 0 1 ) 择优取向。其晶粒尺寸较大，具有较大的介电调谐率和介电损耗。 而b s t m g o 薄膜在拉应力作用下，薄膜为( 1 1 0 ) 择优取向，晶粒尺寸较小，其 介电调谐率和介电损耗的本也较小。 缓冲层可以缓解薄膜和基底间的晶格常数失配和热膨胀系数失配，从而改善 薄膜的应力状态和介电性能。通过系列的改变缓冲层材料组分，调节b s t 薄膜与 基底间应力状态。结果表明，随着缓冲层组分的b a 含量增加， b 如e s r n , t i o ，b a n s r ，t i 吖l a 0 薄膜由拉应力状态逐渐转化为压应力，薄膜的择优 取向由( 1 1 0 ) 逐渐变化为( 0 0 1 ) 定向，薄膜由a a 相也逐渐转变为c 相。当 缓冲层材料为b a 05 s r m 5 t i0 3 时，b s t 薄膜处于微压应力状态下，其介电性能最佳， 介电调谐率，损耗和优值分别为3 1 2 ( 1 m h z ，6 0k v c m ) ，0 0 0 6 ，5 2 。本文 采用应力相变模型解释了缓冲层对薄膜结构和介电性能的作用，并应用l d 唯 象模型的理论，模拟了具有不同缓冲层的b s t 薄膜介电常数。实验发现理论计算 值和实验数据的基本变化趋势是一致的。 本文测量了b s t 薄膜的r a m a n 光谱，并估算了其应力大小。结果表明，当s t 缓冲层引入b s t 中，薄膜的r m n a n 特征峰红移，薄膜呈拉应力，大小为3 5 0 3 g p a 。 而随着b a 的增加，其特征峰逐渐向高的波数方向移动，如： b a o b s r 仉4 t i0 3 b 跳b s r 。f f i 0 3 l a 0 薄膜呈微压应力，大小为9 8 4 g p a ， b 鼬e s ha t i g b a o t s r o 。t i o j l a o 薄膜的压应力为3 7 5 0g p a 。实验定量的显示了缓 冲层材料可以调节b s t 薄膜的应力状态和大小。 本文探讨了微波调谐器件的新材料体系，钛酸钡锶钙( b a ，s r ，c a ) t i o ，和钛 酸锶铅( p b ，s r ) t i o ，薄膜，并找到性能较好的b s c t 和p s t 薄膜组分。在测试频 率为i m h z 条件下，b a o s r o 2 c a o t i 0 3 i p t l t i s i o ：s i 薄膜的损耗为o 0 1 2 ，介电 常数为2 6 9 ，调谐率在1 2 0 k v e m 场强下为2 8 6 ，优值为2 3 8 6 。而 p b 。s r o ，t i o f f p t t i s i o , s i 薄膜的调谐率、介电损耗和f o m 值分别为6 1 0 、 0 0 2 2 和2 8 。结果表明b s c t 和p s t 有望成为新的微波调谐介质材料。 i l 博士学位论文钛酸锶钡非线性介质薄膜的高介电调谐率和低介电损耗的研究 a b s t r a c t n i i nf i l m so fb a l s r x t i 0 3 ( b s da r eb e i n gd e v e l o p e df o rt u n a b l em i c r o w a v ed e v i c e a p p l i c a t i o n s ，s u c ha sf i l t e r s ，p h a s es h i r e r s ，a n dd e l a y e rl i n e s , d u et ot h ef a c tt h a tt h em a t e r i a l s e x h i b i tal a r g ed i e l e c t r i cc o n s t a n tc h a n g ew i t hd cb i a sv o l t a g e f o ri t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o ni n t u n a b l em i c r o w a v ed e v i c e s 。i ti sd e s i r a b l et og r o wh i g hq u a l i t yd i e l e c u i cb s tt l i nf i l m s w h i c h h a v ea sl u r g ed i e l e c t r i ct u n a b i l i v ya n da sl o wd i e l e c t r i cl o s sa sp o s s i b l e t h ef u n d a m e n t a lp r o b l e m l i m i t i n gt h eu s eo f t h ef i l mj st h a tf i l m sh a v ei n f e r i o rd i e l e c t r i cp r o p e r t i e sc o m p a r e dt ot h e i rb u l k c o u n t e r p a r t s t h o s ed i f i e f e n c e sa r eu s u a l l ya t t r i b u t e dt om a t e d a lc o m p o s i t i o n ，s 订e s ss l a t e ， m i c r o s t r u c t u r ea n dd e 凫c t s i nt h i sp a p e r , b a l s r x t i o ，t h i nf i l m sw e r ed e p o s i t e db ys o l - g e l t e c h n i q t m s ，a n dt h ed i e l e c t r i ct u n a b i l i v ya n dd i s s i p a t i o nf a c t o ro f f i l m sw e r ei n v e s t i g a t e d a sa n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h eg r a i ns i z eo ff i l m si n c r e a s e d ，a n dt h ef i l m sr e v e a l p r e f e r e n t i a lf o o do r i e n t a t i o n t h ep o s t - d e p o s i t i o na n n e a l i n ga te l e v a t e dt e m p e r a t u r e11 0 0 i s b e n e f i c i a lt oi n g r e a s ed i e l e c t r i ca n dd e c r e a s ed i s s i p a t i o nf a c t o r s ot h a tt h ef i g u r eo fm e r i ti s s u b s t a n t i a l l yi m p r o v e d w h e na n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m7 5 0 t ol1 0 0 c t u n a b i l i t y o f ( b a o 6 s r o d ) t i o3 ：l a a l 0 3 f i l m si n c r e a s e df r o m1 7 5 t o4 9 6 ，a n dd i s s i p a t i o nf a c t o r d e c r e a s e df r o m0 0 1 7t o0 0 0 8 a ti m h zb yt l l ea p p l i e dd cb i a se l e c t r i cf i l e do f 8 0 k v c m n l ed e v i a t i o no f t h eb a 厂nr a t i oa n d ( b a + s r ) t ir a t i of r o mt h es t o i c h i o m e t r i cv a l u eo f u n i v yi s r e p o r t e dt oh a v ead r a m a t i ce f f e c to nt h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e s i ti sf o u n dt h a tb a 0 6 s r 0 4 t i 0 3t h i n f i l m s f a b r i c a t e do nl a a l 0 3 ( l a o ) s u b s t r a t eh a v eh i g h e rt h ef i g u r eo fm e r i to f5 8 s ot h a t b a 06 s r o4 t i 0 3t h i nf i l mi sa na t t r a c t i v em a t e r i a lf o rt u n a b l em i c r o w a v ed e v i c e s a s ( b a + s r ) t i d e c r e a s i n g ，t h ee x c e s st i t a n i u mi np o l y c r y s t a l l i n ef i l m si sa c c o m m o d a t e di nt h eg r a i ni n t e r i o r , a n d t h el a t t i c ec o n s t a n ti n c r e a s o d a sm o r et ia d d e dt o1 3 s e c o n dp h a s ef o r m s t h ed i e l e c t r i c c o u s t a n lt u n a b i l i v ya n dd i s s i p a t i o nf a c t o rd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n ga m o u n t so fe x c e s st i b a o o s r o 4 t i o y p t ：r v s i s it h i n f i l m sh a v et u n a h i l i v yo f3 4 9 ( 2 5 0k v c m ，1 m h z ) a n d d i s s i p a t i o nf a c t o ro f 0 0 2 & a n db a 0 6 s r 0 4 t i l 2 5 0 3 ，p t 厂n s i 0 2 s jt h i nf i l m sh a v el o w e rt u n a b i l 计yo f 1 7 1 a n di o w e r d i s s i p a t i o n f a c t o r o f 0 0 1 2 a l t h o u g ha d d e dt ic o n t e n tc a nd e p r e s s e df i l m sd i s s i p a t i o nf a c t o r , a n dt h et u n a b i l i v yo ff i l m s a l s od e c r e a s e de n o r m o u s l y m u l t i l a y e rs t r u c t u r eo fb a 0 6 s r o 4 t i l + v o 犯0 0a m ) m a o6 s r 0 4 t i 0 3 0 0 0 a m yb a o 6 s r o 4 t i l 柚3 ( 2 0 0a m ) f i l m sw e r ed e p o s i t e do np 佣s i 0 2 s is u b s t r a t e s i ti sf o u n dt h a t t h et u n a b i l i v yo f f i l m sw i t hm u l t i l a y e rs t r u c t u r ei n c r e a s e s ，a n dt h ed i s s i p a t i o nf a c t o rd i dn o tc h a n g e e v i d e n t l y a n dt h et u n a b i l i v ya n dd i s s i p a t i o nf a c t o ro fm u l t i l a y e rs t r u c t u r ef i l mw a s2 6 7 a n d 0 0 1 3 t h ej n t e r f a c eb e t w e e nb a 0 6 s r o4 t i 0 3a n db a o r s r 0 4 t i t + y 0 3l a y e r sh a sh e t e r o g e n e o u s c o m p o s r i o n s a n das p a c ec h a r g el a y e rh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i sm i c r o - r e g i o n t h e r e f o r e ，t h e d i e l e c t r i cc o n s t a n to f f i l m sw i t hm u l t i l a y e rs t r u c t u r ei o c r e a s c sa n dd i s s i p a t i o nf a c t o rd o n ti n c r e a s e e v i d e n t l y o u rr e s u i t si n d i c a r e dt h a tt h em u l t i l a y e r s t r u c t u r ew e r eb e n e f i c i a lt ol o w e r i n gt h e d i e l e c t r i cd i s s i p a t i o na n de n h m a c i n gt h et u n a b i l l t ys i m u l t a n e o u s l y f o re l e c t r i c a lm e a s u r e m e n t s ，e l e c t r o d e sw e r ea l s od e p o s i t e do na n n e a l e db s tf i l m s t h e r e f o r e i n t e r f a c eb e t w e e nf i l m sa n ds u b s t r a t e so re l e c t r o d e sw i l lp l a yai m p o r t a n tr o l ef o r c h a r a c t e r i s t i c so f b s tf i l m s f o rr e l e a s e dt h ei n f l u e n c eo f i n t e r f a c e s l a n i 0 3 ( l n o ) e l e c t r o d ew a s i n v e s t i g a t e d h i g h l y ( 1 0 0 ) o r i e n t e db s l y l n of i l m sh a v es m a l l e rg r a i ns i z ea n dl a r g e rd i e l e c t r i c c o n s t a n ta n dd i e l e c t r i ct u n a b i l i t yc o m p a r e dt ou n - o r i e n t e db s 册f i l m s f o rt h ed j f f e r e n c eo ft h el a t t i c ec o n s t a n t sa n dt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e nt h e h l 竖主兰垡丝兰塾墼堡塑j ! 垡丝坌星堕堕塑壹坌皇塑堂皇塑堡垒皇塑堑塑堕壅 s u b s t r a t e sa n df i l m s ，t h es t r e s ss t a t e so f b s tf i l m sd e p o s i t e do nl a oa n dm g o ( m o ) a r ed i v e r s e i tw a sf o u n dt h a tt h em i s m a t c ho fl a t t i c ec o n s t a n t sw i l ip l a yam o r ei m p o r t a n tr o l ec o m p a r e dt o m i s m a t c ho f t h e r m a le x p a n s i o nc o e 硒e i e n t s b s l 住，a of i l m sa r ec r y s t a l l i z e di np r e f a r e n t i a i ( 0 0 1 ) o r i e n t a t i o ni nt h ec o m p r e s s i v es t r e s sa n dh a v e1 a r g e rt u n a b i l i t ya n dd i s s i p a t i o nf a c t o r h o w e v e r , b s t m of i l m sr e v e a lp r e f e r e n t i a l ( 1 1 o r i e n t a t i o nf o r t h et e n s i l es n e s s b yi n s e r t i n gav e r yt h i nb u f f e rl a y e rb e t w e e nt h es u b s t r a t ea n dt h em a i nl a y e ro fb s t t h ed e g r e e o f t h es t r e s sj nb s tf i l m sc a r lb em a n i p u l a t e da n di m p r o v eb s tf i l m s d i e l e c t r i cp r o p e r t i e s a sb a c o n t e n to hb u f f e rl a y e ri n c r e a s e d t h es 仃e s so fb s t 几a of i l m sg r a d u a l l yc h a n g e df r o mt e n s i l et o c o m p r e s s i v e ，a n dt h ep r e f e r e n t i a lo r i e n t a t i o no ff i l m sa s ev a r i e df r o m ( 1 l o ) t o ( 0 0 1 ) t h ef i l m s w i t h2 0n mt h i c k n e s s e sb a o5 s r 05 t i 0 3b u f f e rl a y e rh a v eh i g h 目t u n a b i l i t y ( 3 1 2 xl o w e rd i e l e c t r i c l o s s ( 0 0 0 6 ) ，a n dl a r g e rf o mo f5 2a tf r e q u e n c yo fl m h zw i t had cb i a se l e c t r i cf i e l do f6 0 k v c m n m 蝣p h e n o m e n aw e r ec o r r e l a t e dw i t i ip h a s ei r a n s f o r m a t i o n sc a u s e db ys t r e s s t h e d i e l e c t r i cc o n s t a n t so fb s tf i l m sw i t hd i f f e r e n tb u f f e r l a y e rw e r ec a i c u l a t e d b a s e do na l a n d a n - d e v o n s h i r ed h e n o m e n o l o g i c a lr o o d e l a n dt h ec a l e u l a t e dd i e l e c t r i cc o n s t a n tf i t st h e e x p e r i m e n t a ld a t ar e a s o n a b l yw e l l t h es t r e s so fb s tf i l m sw i t hd i f f e r e n tb u f f e rl a y e rw a sm e a s u r e db yr a m a ns p e l ：t l - o s c o p y t h ef i l m sw i t h s r t i 0 3 b u f f e r l a y e r h a v et e n s i l es t r e s so f 3 5 0 3 g p a , a n d b a 0 6 s r 0 4 t i 0 3 b a 0s s r os t i 0 3 l a of i l mh a ss m a l lc o m p r e s ss t r e s so f9 8 4g p a w h e n b a 0 7 s r 03 t i 0 3 b u f f e rl a y e ra d d e d ，t h ef i l m sh a v el a r g e rc o m p r e s ss t r e s so f 3 7 5 0g p a t h er e s u l t s q u a n t i f i c a t i o n a l l yr e v e a lt h ec h a n g eo f s t r e s sj nf i l m sw i t hb u f f e rl a y e l t h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so f ( 1 3 a l - x y s r x c a t ) t i 0 3 ( b s c da n d ( p b l 。s 曲t i 0 3 ( p s t ) f i l m sw e r e a l s od i s c u s s e df o rt u n a b l em i c r o w a v ed e v i c ea p p l i c a t i o n s ( b a o + s r o2 c a o o t i 0 3t h i nf i l m sh a v e t a n a b i l n yo f2 8 6 ( 1 2 0k v c m ，l z ) ，d i s s i p a t i o nf a c t o ro fo 0 1 2a n dt h ef i g u r eo fm e r i to f 2 8 v 6 a n d ( p b 0 3 s r 0 7 ) t i o st h i nf i l m sh a v et h eb e s td i e l e c t r i cp r o p e r t i e s , a n dt h ed i e l e c t r i cl o s s ， t u n a b i l i t ya n df o ma r e0 0 2 2 6 1 0 a n d2 8 r e s p e e t i v e l y t h i sf a c tm a k e sb s c ta n dp s tf i l m s a sv e r yp e r s p e c t i v em a t e d a l sf o r t u n a b l ed e v i c e sa p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：b s t , f e r r o e l e c t r i cf i l m s ，s o l - g e l ，d i e l e c t r i ct u n a b i l i t y , d i s s i p a t i o nf a c t o r , m u l t i l a y e r s t r u c t u r e ，b u f f e rl a y e r , s t r e s s ，b s c t p s t i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研 究所作的任何贡献已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名彰童：墨日期趔2 垦 本论文使用授权说明 本文完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保留的论文在解密后应遵守此规定) 签名胡高义导师签名日期：盘么：! r 1 1 概述 第一章绪论 钛酸锶钡( b a l x s r x t i 0 3 ，b s t ) 薄膜是一种典型的钙钛矿结构( a b o 。) 的铁电 材料。钙钛矿结构可用简立方晶格来描述，如图1 1 。顶角为低电价、大半径的 b a ”、s r ”等离子占据，称为a 晶位。体心为高电价、小半径的t i ”离子占据，称 为b 晶位。六个面心则为0 2 一离子占据。这些氧离子形成氧八面体，b 离子处于氧 八面体中心。整个晶体可看成由氧八面体共顶点联接而成，各氧八面体之间的空 隙则由a 离子占据。a 和b 离子的配位数分别为1 2 和6 。正氧八面体有着3 个四 重轴、4 个三重轴和6 个二重轴。 钙钛矿结构的自发极化主要来源于b 离子偏离氧八面体中心的运动。在高温时， 离子热运动的能量比较高，b 离子平均来说处于氧八面体的中心，晶体处于立方相， 属顺电相p m 3 m 空间群，晶体没有自发极化。当温度下降时，b 离子平均热运动能 量减小，不再能够维持在氧八面体中心的平衡位置上，并沿着四重轴方向发生偏 移。高电价离子偏离氧八面体中心位置形成了很强的偶极矩，而相邻晶胞之间的 相互耦合，使得所有晶胞中的b 离子全部向同一方向偏移，直到晶胞之间的相互 耦合被缺陷打断为止。这样晶体便沿着b 离子偏离的方向建立了自发极化( p s ) ， 晶体也就从非极性的立方结构转变为极性的四方p 4 m m 空间群。当温度进一步降低 时，b 离子将分别沿二重轴、三重轴方向偏离中心位置，自发极化也分别沿着二重 轴和三重轴，晶体将转变为极性的a t o m 2 空间群和r 3 m 空间群。 a ob o o 图1 1a b 如型钙钛矿晶体结构 f i g 1 1t h es t r u c t u r a lill u s t r a t i o no fa b 0 3p e r o v s k i t e s 钛酸锶钡薄膜通常为厚度约数十纳米到数微米的膜材料。它具有几何设计的 可塑性、更重要的是铁电薄膜有优越的电极化特性、热释电性、压电效应、电光 效应、商介电系数和非线性光学性质等一系列特殊性质，可以利用这些性质制作 不同的信息功能器件，并可以通过铁电薄膜材料与其他材料的集成或复合，制作 博士学位论文钛酸锶钡非线性介质薄膜的高介电调谐率和低介电损耗的研究 集成性器件。随着微电子集成技术的进步，特别是铁电薄膜制备技术的一系列突 破，成功地制备出性能优良的铁电薄膜，工作电压可在3 - - 5 v ，可与s i 或g a a s 电 路集成，铁电薄膜制备工艺与i c 工艺兼容成为可能，极大地促进了铁电薄膜的制 备与器件应用研究的发展，使之在微电子学、光电子学、集成光学和微机电系统 等领域有着广泛的应用前景，成为国际上新型功能材料研究的热点之一n ”。 1 2b s t 系固溶铁电薄膜的特点 b a t i o 。( b t ) 陶瓷的介电常数( ，) 在室温下约为1 4 0 0 ，且随温度变化比较 平坦，而在居里点( 1 2 0 c ) 附近，介电常数增长很快，并在居里点处达到峰值( 。 6 0 0 0 1 0 0 0 0 ) ”“。而s r y i 0 3 ( s t ) 常温下是顺电相，属于立方相钙钛矿结构，居 里温度很低，为一2 3 3 ，室温下它的介电常数为3 0 0 左右。其化学性能与热稳定 性好，介电损耗小，还具有击穿强度高、绝缘性能与光透明性优异、结构稳定性 很好、无老化与疲惫问题等优点c s l 。 s t 与b t 可以无限固溶，其固溶体钛酸锶钡( b a ，。；s r , t i 0 3 ) 具有优异的介电性 能：介电常数调节方便、高的绝缘电阻、低的介电损耗和较高的温度稳定性等。 随着锶含量的变化，b a 。s r j i 0 3 的居里温度可以在很宽的温度范围( - - 2 3 3 1 2 0 ) 内得到调节，钛酸锶钡固溶体仍具有钙钛矿结构，它们的连续固溶性可使材 料介电和光学性能在b a s r 摩尔比为o l 的范围内连续调节，这种相兼得了b t 的高介电性与s t 的高稳定性、低损耗性，使b s t 成为最富应用前景的铁电材料之 一o b s t 铁电薄膜在一定温度范围内具有自发极化而且随外加电场的反向而反向的 特性可以制造铁电薄膜存储器睁”。它的出现使高存取速度和高存储密度的非挥发 性存储器制备成为可能；利用铁电薄膜的热释电效应，可以制造热释电红外探测 器“1 ，h 。探测器“”“利用其压电效应可制成微型化、稳定、经济的压电器件，如声 表面波器件、微型压电马达“”，利用电光效应制作光波导器件。“、像存储器、光 学显示器、空间光调制器、激光倍频器“”等器件。 b s t 薄膜具有非线性效应，即材料的极化强度随着外加电场变化的非线性特性。 相应地，其介电常数强烈地依赖于外加直流偏置电场强度，零偏置电压下介电常 数最大，随着电场增加介电常数降低，其归一化介电常数电可调率或简称介电调 谐率，可表示为： 触脚c 肌警川慨 这种特点使它具有在微波调谐器件上有着广阔的应用前景。基于b s t 铁电薄膜的 微波频率捷变器件，如电压变容二极管“5 1 ”1 、频率捷变滤波器“8 ”3 、可调谐相移器 2 0 , 2 t 、可变实时延迟器、电可调相控阵天线“”等，p - , t 成为国际上研究的热点。 2 博士学位论文钛酸锶钡非线性介质薄膜的高介电调谐率和低介电损耗的研究 1 3 微波调谐器件的发展 1 3 1 微波调谐器件用材料和电路的研究现状 微波技术问世已有半个世纪，发展迅速，应用广泛。微波电路的发展基本上遵 循着由i c 到l s i c 的发展轨迹。随着集成技术的进步，微波器件发展到v l s i c 阶 段，其线宽达亚微米量级。6 0 年代和7 0 年代出现的混合微波集成电路( h m i c ) 和单片微波集成电路( m m i c ) ，自8 0 年代以来已经被广泛应用，并从单片功能电 路发展到多功能组件。为了适应未来高频、宽频通讯的发展要求，自9 0 年代开始 研究毫米波段的m m i c l 2 4 】。新的高频集成微波芯片的发展，对微波器件提出了更 高的要求，如：快的响应速度，宽的选频能力及高灵敏度，良好的温度稳定性。 而这也要求新的材料和器件概念，以完成微波信号的传输、移相、滤波及谐振选 频等功能。 表1 1b s t 薄膜。、g a a s 变容二极管和m e m s “可调性比较 t a b 1 1c a p m p a r i s o no ft u n a b i l i t yo fb s tf i i r e s g a a sv a r a c t o ra n dm e m s 目前在微波电路实现电压调制的器件主要包括g a a s 变容二极管，微机电系统 m e m s 器件以及铁电材料可调器件，表i - i 为这几种器件的比较。采用电压调制的 电可调铁电微波器件容易集成化，功耗小。电可调铁电微波可调器件与半导体变 容二极管相比，铁电压控电容器具有较高的调节率和可控性，调节速度较快。m e m s 微波损耗虽然较低，但响应速度慢，从而限制了它在微波可调装置中的应用。因 此铁电薄膜在微波器件中有着广阔的应用前景。图1 2 显示了铁电b s t 薄膜在超 高频器件的开发及应用远景。 随着微波通讯的迅猛发展，对微波器件的要求也愈来愈高”，如：在低的操 作电压下实现连续可调，频率捷变的非线性等，同时考虑到实际的推广与应用， 要求器件的低成本，低封装成本，大功率。因此，传统的转动式天线已经被新型 的设计概念叫做相控阵列天线1 ( p h a s e da r r a ya n t e n n a ) 所取代。这种相控阵列 天线都是平面式结构，包含独立的辐射源，可经由电路控制总体的电磁辐射场分 布，不需经由外加的机械控制，而是由电路操控，可在数个微秒之内转换辐射角 度，锁定不同的目标。这类相位数组天线是由数个甚至数十个相移器以及辐射源 组成，图1 3 为其示意图“。在相位数组天线的关键组件就是电可调变的相移器。 3 博士学位论文钛酸镑钡非线性介质薄膜的高介屯调谐率和低介电掼耗打昕充 1 3 微波调谐器件的发展 1 3 1 微波调谐器件用材料和电路的研究现状 微波技术问世已有半个世纪，发展迅速，应用广泛。微波电路的发展基本上遵 循着由i c 到l s i c 的发展轨迹。随着集成技术的进步，微波器件发展到v l s i c 阶 段，其线宽达亚微米量级。6 0 年代和7 0 年代出现的混合微波集成电路( h m i c ) 和单片微波集成电路( m m i c ) ，自8 0 年代以来已经被广泛应用，并从单片功能电 路发展到多功能组件。为了适应未来高频、宽频通讯的发展要求，自9 0 年代开始 研究毫米波段的m m i c 2 4 1 。新的高频集成微波芯片的发展，对微波器件提出了更 高的要求，如：快的响应速度，宽的选频能力及高灵敏度，良好的温度稳定性。 而这也要求新的材料和器件概念，以完成微波信号的传输、移相、滤波及谐振选 频等功能。 表1 1b s t 薄膜4 ”、g a a s 变容二极管”和i i e 鼯”可调性比较 t a b 1 1c a p m p a r i s o no ft a n a b i l i t yo fb s tf i l m s g a i t sp _ 日w a c t o ra n dm 邮 同前在微波电路实现电压调制的器件主要包括g a a s 变容二极管，微机电系统 m e m s 器件以及铁电材料可调器件，表l _ 1 为这几种器件的比较。采用电压调制的 电可调铁电微波器件容易集成化，功耗小。电可调铁电微波可调器件与半导体变 容二极管相比铁电压控电容器具有较高的调节率和可控性，调节速度较快。m e m s 微波损耗虽然较低，但响应速度慢，从而限制了它在微波可调装置中的应用。因 此铁电薄膜在微波器件中有着广阔的应用前景。图1 2 显示了铁电b s t 薄膜在超 高频器件的开发及应用远景。 随着微波通讯的迅猛发展，对微波器件的要求也愈来愈高”8 “，如：在低的操 作电压下实现连续可调，频率捷变的非线性等，同时考虑到实际的推广与应用， 要求器件的低成本，低封装成本，大功率。因此，传统的转动式天线已经被新型 的设计概念叫做相控阵列天线( p h a s e da r r a ya n t e n n a ) 所取代。这种相控阵列 天线都是平面式结构，包含独立的辐射源，可经由电路控制总体的电磁辐射场分 布，不需经由外加的机械控制，而是由电路操控，可在数个微秒之内转换辐射角 度，锁定不同的目标。这类相位数组天线是由数个甚至数十个相移器以及辐射源 组成，图1 3 为其示意图“。在相位数组天线的关键组件就是电可调变的相移器。 组成，图1 3 为其示意图“。在相位数组天线的关键组件就是电可调变的相移器。 3 堕主兰些望苎竺璧塑塑! ! 塑堡坌堡苎壁箜壹尘皇塑堂皇