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铁电移相材料Ba1-x-yPbxSryTiO3的制备与性能研究

2020-11-28阅读(247)

铁电移相材料Ba1-x-yPbxSryTiO3的制备与性能研究

论文摘要

相控阵天线用铁电薄膜移相器是一种基于铁电材料的新型移相器,具有扫描速度快、精度高、驱动功率小、波控系统简单、工作温度范围宽、多目标跟踪与处理、价格低廉等优点,是目前军事、航天等领域雷达系统的研究热点之一。本文研究了Ba1-x-yPbxSryTiO3（BPST）铁电材料的制备、表征、电学特性以及基于BPST薄膜的电容器加载共面波导移相器的仿真设计等内容。在分析铁电移相器工作原理的基础上论证了铁电材料应用于移相器的可行性,设计出BST与PST的固溶体BPST作为移相器用可调谐介质,指出0.3≤y≤0.6的组分具有较大的移相器应用价值,为实验提供了可调谐介质材料的选择依据。采用固相反应法制备了BPST陶瓷材料,研究了其微结构与介电特性。发现随Pb浓度的提高,BPST陶瓷在室温下由立方相转变为四方相,晶格畸变程度逐渐加剧。介电特性分析发现Ba0.5Sr0.5TiO3、Ba0.4Pb0.1Sr0.5TiO3、Ba0.3Pb0.1Sr0.6TiO3与Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3适合于铁电移相器的应用,在10kHz测试频率下它们的室温介电常数分别为1235、1431、1140和1593;介电损耗分别为0.0029、0.0047、0.0041和0.0062。采用第一性原理计算了BPST的晶格结构,发现在Ba0.7-xPbxSr0.3TiO3晶格中,随Pb含量的提高,Ti离子距钙钛矿结构氧八面体中心的偏移量Δc越大;而在Ba1-x-yPbxSryTiO3(0.4≤y≤0.6)晶格中,当Δc=0时晶格能量最低。采用射频磁控溅射法制备了BPST薄膜,研究了薄膜的制备工艺、介电特性、漏电流特性与元素化学态。在所讨论的BPST薄膜中,发现Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3薄膜最适合应用于铁电薄膜移相器。室温时,在1MHz测试频率下Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3薄膜的介电常数为514、介电损耗为0.014、偏置电场为375kV/cm时调谐率为51%、FOM为36.43。薄膜漏电流特性分析发现,不含Pb薄膜的漏电流密度最小,含Pb薄膜的漏电流密度相对较大,并且Pb含量越高,漏电流密度越大。在375kV/cm电场作用下,Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3薄膜的漏电流密度为6.7μA/cm2。采用XPS研究了薄膜的元素化学态,发现Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3薄膜的表层中有少量的非钙钛矿结构的Ba与Ti;在薄膜内部,Ba、Sr、Ti等金属元素均为单一的钙钛矿结构结合状态;Pb元素在薄膜内部出现了少量单质的化学状态,这与薄膜内部缺氧严重有关。通过元素含量计算发现薄膜中Ba、Ti含量偏高、Sr含量偏低;薄膜内部Pb元素含量与化学式符合较好,而表层中Pb含量偏低;薄膜表层与内部的钙钛矿结构氧均偏低。采用ADS仿真得到优化的Ba0.2Pb0.2Sr0.6TiO3/MgO基电容器加载共面波导移相器的结构参数:叉指宽度s、叉指间隙g、叉指交叠长度l0、单侧叉指数目m分别为5μm、10μm、45μm、1或2。通过使用不同的薄膜调谐率T仿真了具有20个周期性重复的移相单元、信号线长度为1cm的电容器加载共面波导移相器在偏置电压调控下的性能,结果显示:移相器的最大S11为-17.4dB、最小S21为-0.75dB。当T由0变化到15%时,在22GHz～23GHz频率处可获得的最大移相量为330°,适合应用于相控阵天线。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 铁电体的物理特征
  • 1.1.1 铁电性的产生机制
  • 1.1.2 铁电体的相变
  • 1.1.3 铁电畴
  • 1.1.4 电滞回线
  • 1.1.5 热释电效应
  • 1.1.6 压电效应
  • 1.2 铁电材料的研究进展
  • 1.3 铁电薄膜的制备、表征及应用
  • 1.3.1 铁电薄膜的制备技术
  • 1.3.2 铁电薄膜的表征
  • 1.3.3 铁电薄膜的应用
  • 1.4 相控阵天线铁电移相器
  • 1.4.1 高性能低成本铁电移相器
  • 1.4.2 移相器对铁电材料的性能要求
  • 1.5 移相器用铁电薄膜的研究现状
  • 3 薄膜'>1.5.1 （Ba,Sr）TiO3薄膜
  • xSr1-x)TiO3 薄膜'>1.5.2 (PbxSr1-x)TiO3薄膜
  • 1.6 本文的研究目的和主要内容
  • 2 铁电薄膜移相器及可调谐铁电介质的理论分析
  • 2.1 铁电移相器的基本原理
  • 2.2 铁电薄膜移相器的原理与设计
  • 2.3 可调谐铁电介质的材料设计
  • 2.4 本章小结
  • 3 BPST 陶瓷的制备及性能研究
  • 3.1 BPST 陶瓷的制备
  • 3.1.1 工艺流程
  • 3.1.2 烧结温度制度的确定
  • 3.2 BPST 陶瓷的微结构分析
  • 0.7-xPbxSr0.3TiO3 陶瓷'>3.2.1 Ba0.7-xPbxSr0.3TiO3陶瓷
  • 0.6-xPbxSr0.4TiO3 陶瓷'>3.2.2 Ba0.6-xPbxSr0.4TiO3陶瓷
  • 0.5-xPbxSr0.5TiO3 陶瓷'>3.2.3 Ba0.5-xPbxSr0.5TiO3陶瓷
  • 0.4-xPbxSr0.6TiO3 陶瓷'>3.2.4 Ba0.4-xPbxSr0.6TiO3陶瓷
  • 3.3 BPST 陶瓷的介电特性研究
  • 0.7-xPbxSr0.3TiO3 陶瓷'>3.3.1 Ba0.7-xPbxSr0.3TiO3陶瓷
  • 0.6-xPbxSr0.4TiO3 陶瓷'>3.3.2 Ba0.6-xPbxSr0.4TiO3陶瓷
  • 0.5-xPbxSr0.5TiO3 陶瓷'>3.3.3 Ba0.5-xPbxSr0.5TiO3陶瓷
  • 0.4-xPbxSr0.6TiO3 陶瓷'>3.3.4 Ba0.4-xPbxSr0.6TiO3陶瓷
  • 3.4 BPST 陶瓷的铁电性能研究
  • 3.5 本章小结
  • 4 BPST 晶格结构的第一性原理计算
  • 4.1 第一性原理计算与计算软件简介
  • 4.2 计算模型
  • 4.3 BPST 原始亚晶格的结构计算
  • 4.4 BPST 的晶格结构计算
  • 0.7-xPbx)Sr0.3TiO3 晶格'>4.4.1 (Ba0.7-xPbx)Sr0.3TiO3晶格
  • 0.6-xPbx)Sr0.4TiO3 晶格'>4.4.2 (Ba0.6-xPbx)Sr0.4TiO3晶格
  • 0.5-xPbx)Sr0.5TiO3 晶格'>4.4.3 (Ba0.5-xPbx)Sr0.5TiO3晶格
  • 0.4-xPbx)Sr0.6TiO3 晶格'>4.4.4 (Ba0.4-xPbx)Sr0.6TiO3晶格
  • 4.5 本章小结
  • 5 BPST 薄膜的射频磁控溅射法制备及性能研究
  • 5.1 BPST 薄膜的制备工艺研究
  • 0.5Sr0.5TiO3 薄膜的溅射工艺'>5.1.1 Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜的溅射工艺
  • 5.1.2 BPST 薄膜的溅射工艺
  • 5.2 BPST 薄膜的微结构与介电性能研究
  • 5.3 BPST 薄膜的FSEM 形貌分析
  • 5.4 BPST 薄膜的漏电流特性
  • 5.5 BPST 薄膜的元素化学态分析
  • 5.5.1 BPST 薄膜的XPS 概谱分析
  • 5.5.2 BPST 薄膜元素的XPS 高分辨能谱分析
  • 5.6 本章小结
  • 6 基于铁电薄膜介电响应的移相器仿真设计
  • 6.1 仿真软件ADS
  • 6.2 电容器加载共面波导移相器结构
  • 6.3 移相单元结构参数的计算与仿真优化
  • 6.3.1 移相单元结构参数的半经验计算方法
  • 6.3.2 移相单元结构参数的仿真优化
  • 6.4 周期性电容加载共面波导的性能仿真优化
  • 6.5 铁电薄膜移相器的电压调控仿真
  • 6.6 本章小结
  • 7 全文总结
  • 7.1 主要结论
  • 7.2 本文创新之处
  • 7.3 需要进一步研究的问题
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录 1 攻读博士学位期间发表和待发表的论文目录
  • 附录 2 已授权和申请中的专利

    • 相关论文文献

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