Sol-Gel法高介电调谐PST薄膜的制备与研究

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1、浙江大学硕士学住论文摘要铁电材料具有优良的介电、压电、铁电、热释电、电光、声光及非线性极化等特性，在多种领域有着广泛的用途。利用其非线性极化特性能制备微波可调元器件，如相控阵天线上的移相器，谐振器，滤波器等。就微波可调介电材料而言，目前研究较多、性能较好的主要是钛酸锶钡(BST)及其掺杂系列，其可调性一般在50％左右，介电损耗在lO-2量级上，综合反映材料可调性的优值一般在300以下。最近Cross等发现钛酸锶铅(PST)具有较高可调性和相当低的介电损耗。其还是一种互溶性较好的钙钛矿铁电材料，其居里点温度T

2、。可较容易地调至室温附近，介电温度系数较大，是一种非常适用于电场调节元件的材料。与BST相比，特别作为薄膜材料，PST的铁电l临界尺寸较小，晶化温度较低，制备工艺与Si微电子工艺兼容，更能够满足高性能的Si基集成电路的需要，对推动现代器件发展的小型化和集成化具有十分重要的意义。PST研究目前还处于起步阶段，尤其对薄膜的研究更少，薄膜的性能还远未达到期望值。本工作对溶胶凝胶法制备PST薄膜及其性能进行了较为详细的研究，获得了性能优越的PST薄膜。本文全面综述了微波可调铁电薄膜材料的研究发展，总结了溶胶凝胶技术

3、在制备此类材料中的应用，简要介绍了铁电材料微波可调的基本原理及其应用。本文采用溶胶一凝胶技术在ITO基板上成功制备了性能优越的多晶钛酸锶铅薄膜材料。证实TN用溶胶凝胶法制各PST薄膜的钙钛矿晶相形成过程及晶相含量受制备过程及晶相形成时离子的活性所控制。通过快速热处理方法，在凝胶分解过程中得到的高活性离子直接形成晶相，可以在较低的温度下形成晶相及得到相应更多的晶体含量。约在500。C己开始形成晶相，相应要降低约50。C。在600。C下的晶相含量比同温度下保温热处理薄膜增加约14％。发现了改变PST体系中的Pb

4、／Sr比例，样品的晶化温度会随之发生变化。Pb／Sr为80／20时的薄膜晶化温度至少比Pb／Sr为20／80时下降50。c以上。同时，随着Pb含量的不断增加，薄膜中的晶体含量不断提高。当Pb的含量超过Sr的含量时，室温下的晶体结构发生变化，由原来的立方相结构变成四方相结构，也即居里点温度随Pb的含量增加而提高，铅和锶的含量相等时居里点出现在室温附近。控制铅含量可以控制一定温度下的结构状态，可以有目的的控制使用温度附近有较高的介电温度系数，达到改善介电调谐性能的目的。浙江大学硕士学位论文获得了高可调性和高优值

5、的薄膜。Pb04Sro6Ti03薄膜室温下的可调谐量在100kHz以下频率范围可达到约83％r85％，且随频率的变化可调性基本维持在这一范围，变化不大。薄膜的介电损耗随频率增高到100kHz而逐渐下降，并有随频率升高而继续下降的趋势，在100kHz频率下Pbo4Sro6Ti03薄膜的介电损耗约在O．4~O．016。在提高频率后有望更低。薄膜的优值FOM在100kHz频率下可高达600以上。并有望随频率的增大而进一步提高。关键词：钛酸锶铅，薄膜，Sol—Gel，介电调谐II浙江大学硕士学位论文Abstract

6、TheFerroelectricmaterialsfortheirexcellentdielectric，piezoelectric，ferroelectric，pyroelectric，electro—opficial，phonon·opticandnonlinearpolarizationpropertieshavebeenwidelyappliedinmanyfieldsespeciallyinmicrowavetunabledevices，suchasphaseshifterinphasedarra

7、yantenna,resonantorandfilteretc．Asfarasmicrowavetunabledielectricmaterials，Bariumstrontiumtitanate(BST)anditsdopedserieshavebeeninvestigatedintensively，whichhaveabout50％tunability．Theirdielectriclossisabout10～，andfigureofmerit(FOM)islessthan300．Recently,Cr

8、ossetc．foundthatleadstrontiumtitanate(PST)hasbiggertunabilityandlowerloss，besidesthis，PSTisaperovskiteferroelectricmaterialwhichhasgoodsolidsolution．BecauseoftheexpedientmodulationofcurietemperatureTctoroomte