微波调谐钛酸锶钡薄膜及其新型掺杂系列薄膜的性能研究

论文摘要

钛酸锶钡（BaxSr1-xTiO3,简称BST）薄膜因其优异的介电性能而成为可以替代铁氧体和半导体的微波调谐材料,而溶胶-凝胶法（Sol-gel）是制备BST薄膜最普遍最实用的方法,但Sol-gel法制备的BST薄膜结构疏松、表面裂纹严重、缩孔明显等,从而制约了BST薄膜的应用,为此,本论文通过改性工艺和成分掺杂制备了一系列BST薄膜,并利用XRD、SEM、XPS等现代材料分析手段对薄膜进行了表征,同时利用各种测试手段测试了薄膜的介电调谐性能,最终制备出优异介电调谐性能的BST薄膜,并就有关工艺、成分、结构、性能之间的关系规律进行了讨论。首先,在BST溶胶中加入适量的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）,有效地解决了Sol-gel法BST薄膜常见的裂纹和结构疏松问题,制备出光滑、致密、无裂纹的BST薄膜。研究发现,PVP对BST薄膜的影响与其含量、中间热处理形成仔晶层、热处理条件、薄膜厚度等密切相关,获得了在40V偏压下介电调谐率为45.1%及介电损耗为0.0187的薄膜。其次,尝试了Sol-gel法BST薄膜的复合掺杂,包括铈、钇的复合掺杂和交替掺杂,获得了介电调谐率高和介电损耗低的BST薄膜。结果表明,薄膜表面成分表现为钙钛矿结构和非钙钛矿结构,掺杂有利于前者的增加和后者的减少,共同掺杂效果更好。测试表明,1mol%的钇和铈交替掺杂,介电调谐率、介电损耗、优值因子分别达56.9%、0.0241、23.6;1mol%钇和铈复合掺杂分别达49.4%、0.0255、19.4。同时,还显示良好的耐压特性、平稳的损耗-偏压特性及实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微波调谐器件对材料介电性能的要求
• 1.3 钛酸锶钡薄膜的结构和主要性质
• 1.4 钛酸锶钡研究的理论依据
• 1.5 钛酸锶钡薄膜的研究进展
• 第二章 Sol-gel 法制备 BST 薄膜
• 2.1 Sol-gel 技术概述
• 2.1.1 Sol-gel 制备薄膜的发展历程概述
• 2.1.2 Sol-gel 制备BST 薄膜的基本原理
• 2.1.3 Sol-gel 工艺的特点
• 2.2 Sol-gel 工艺制备 BST 薄膜
• 2.2.1 Sol-gel 制备BST 薄膜的工艺流程
• 2.2.2 Sol-gel 制备BST 薄膜的工艺过程
• 2.2.2.1 试剂的选取表
• 2.2.2.2 基片的清洗
• 2.2.2.3 溶胶的制备
• 2.2.2.4 匀胶工艺
• 2.2.2.5 热处理制度
• 2.3 Sol-gel 制备 BST 薄膜的机理探索
• 第三章 Sol-gel 法制备 BST 薄膜工艺条件及退火研究
• 3.1 添加剂PVP 对薄膜结晶性能的影响
• 3.2 膜厚对BST 薄膜结晶性能的影响
• 3.3 退火温度对BST 薄膜的影响
• 3.3.1 SEM 分析
• 3.3.2 XRD 分析
• 3.3.3 AFM 分析
• 3.3.4 介电性能
• 3.4 退火时间对BST 薄膜结晶性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章A、B 位掺杂BST 系列薄膜的性能分析
• 4.1 掺杂系列薄膜的XPS 分析
• 4.1.1 XPS 全谱
• 4.1.2 XPS 分谱分析
• 4.1.2.1 BST 薄膜的Ba3d XPS 分析
• 4.1.2.2 BST 薄膜的Sr3d XPS 分析
• 4.1.2.3 BST 薄膜的Ti2p XPS 分析
• 4.1.2.4 BST 薄膜的 O1s XPS 分析
• 4.1.2.5 BST 薄膜的 C1s XPS 分析
• 4.2 掺杂系列薄膜的AFM 分析
• 4.3 掺杂系列薄膜的介电性能分析
• 4.3.1 薄膜的C-V 特性
• 4.3.2 薄膜的介电-频率特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 主要结论与创新点
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果