硅化鈦納米線電極及低調(diào)制電壓和高介電可調(diào)薄膜研究.pdf

1、介電可調(diào)薄膜在微波領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用潛力，如用于可調(diào)振蕩器、濾波器以及相控陣雷達中的移相器等。應(yīng)用于微波的介電薄膜材料需要具有低的介電損耗和高介電常數(shù)電場可調(diào)性。目前有關(guān)研究主要集中于BST、PST等鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料上。為了獲得介電常數(shù)最大調(diào)制往往需要施加高電壓大獲得高電場，以及高性能薄膜需要在高溫下制備，限制了介電可調(diào)薄膜的廣泛應(yīng)用、介電可調(diào)元件的微型化和集成化的發(fā)展。通過新方法新思路實現(xiàn)低成本地低溫制備低調(diào)制電壓、高介電可調(diào)、低介電損

2、耗的高性能介電可調(diào)薄膜還有許多工作要做。通過將TiSi納米線應(yīng)用于介電薄膜器件中，利用TiSi納米線電極表面形成的巨大邊緣電場能夠極大地降低薄膜器件的工作電壓；利用TiSi納米線誘導(dǎo)形核，降低介電薄膜形核勢壘，降低薄膜晶化溫度，保護材料性能穩(wěn)定。植入TiSi納米線電極的介電薄膜，能夠獲得非常低的工作電壓、很高的可調(diào)性、相對較低的介電損耗以及低的制備溫度等諸多優(yōu)點． 本文全面綜述了高介電可調(diào)微波可調(diào)薄膜材料主要的制備現(xiàn)狀和改性研究

3、方法，總結(jié)了硅化鈦薄膜納米線的研究發(fā)展以及邊緣電場型可調(diào)薄膜的研究應(yīng)用，描述了誘導(dǎo)層低溫制備高性能薄膜的技術(shù)及成果，提出了利用TiSi納米線作為納米電極和誘導(dǎo)層結(jié)合射頻磁控濺射技術(shù)低溫制備低調(diào)制電壓和高介電可調(diào)薄膜。 本文通過常壓化學(xué)氣相沉積法，在玻璃基板上一次性沉積出Ti<,5>Si<,3>薄膜TiSi納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)。采用射頻磁控濺射工藝在Ti<,5>Si<,3>薄膜TiSi納米線基板上成功地低溫制備了低調(diào)制電壓和高介電可調(diào)P

4、ST(BST)薄膜。用X射線衍射分析了其物相結(jié)構(gòu)，通過掃描電鏡觀測了薄膜的表面形貌和斷面情況，利用阻抗分析儀測試了薄膜的介電性能。 將TiSi納米線電極植入介電薄膜內(nèi)部，充分利用TiSi納米線電極表面的巨大邊緣電場可以在非常低的工作電壓下獲得更高的介電可調(diào)性；具有TiSi納米線底電極的Pb<,0.4>Sr<,0.6>(Ti<,0.97>Mg<,0.03>)O<,2.97>薄膜能在3V～4V的低電壓下獲得60％～70％的高可調(diào)性，

5、同樣具有TiSi納米線底電極的Ba<,0.7>Sr<,0.3>TiO<,3>薄膜能在4V～7V的低電壓下獲得50％～60％的高可調(diào)性，比沒有TiSi納米線電極的介電可調(diào)薄膜的調(diào)制電壓有了大大下降，僅為一般情況下的1/6～1/10以下。同時，具有TiSi納米線電極的介電薄膜，結(jié)構(gòu)致密，缺陷少，損耗相對非常小。利用TiSi納米線作為誘導(dǎo)層，低溫誘導(dǎo)PST(BST)薄膜形核生長，極大降低薄膜形核勢壘，降低薄膜晶化溫度。TiSi納米線誘導(dǎo)生長的

6、PST(BST)薄膜在450～500℃的低溫下結(jié)晶性能好，可調(diào)性高達60％～70％。而沉積在Ti<,5>Si<,3>薄膜基板的PST(BST)薄膜則需在600℃或者更高的熱處理溫度下才能獲得較好的結(jié)晶性能和介電性能． 增大濺射功率，可以增強PST薄膜結(jié)晶性能，提高薄膜介電可調(diào)性。但是，隨著濺射功率升高，薄膜致密度提高，熱處理時，薄膜與基板之間熱膨脹系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力增大，薄膜易龜裂。TiSi納米線使沉積的薄膜膨松，熱處理是離子

7、通過移動調(diào)整結(jié)構(gòu)釋放應(yīng)力，使薄膜致密。薄膜內(nèi)部應(yīng)力會減小薄膜介電可調(diào)性，相對于沉積在Ti<,5>Si<,3>薄膜基板上的應(yīng)力較大的PST薄膜，沉積在TiSi納米線上的應(yīng)力較小的PST薄膜，隨著功率的增加，可調(diào)性增加更快。 與PST不同，沉積在Ti<,5>Si<,3>薄膜TiSi納米線上的BST薄膜由于BST和TiSi大的晶格失配度，TiSi納米線誘導(dǎo)作用較弱，易生成雙介質(zhì)層。BST雙介質(zhì)層形成產(chǎn)生空間電荷極化，濺功率升高，空間電