铌酸锌铋BZN薄膜的制备和介电可调性能研究

论文摘要

近年来,微波介质材料由于其在微波功能器件中的应用受到越来越多的关注。采用微波介质材料的谐振器、微带线等构成的微波混合集成电路,可使器件尺寸达到毫米量级,使微波介质材料成为研究热点。铌酸锌铋BZN(Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7)为立方烧绿石结构,是非铁电材料。由于其具有适中的介电常数,较低的损耗,并且介电常数可通过外加电场来调节（即介电调谐性能）,使得它在介电可调微波集成器件方面有着广阔的应用前景。本文采用磁控溅射法在Au/Si基片上制备BZN薄膜,研究了溅射功率、沉积温度、不同退火工艺等对薄膜组分、结构及性能的影响,并对BZN薄膜的介电性能做了研究。本文的工作重点及主要结果如下:1.采用磁控溅射法在Au/Si基片上制备Bi1.5Zn1.0Nb1.5O7薄膜。研究了沉积温度、沉积功率,退火工艺等对薄膜成分,结构和表面形貌的影响。功率100W时,在衬底温度为300℃下生长,并在700℃下RTA退火1min的BZN薄膜为（222）择优取向的立方烧绿石结构,表面平整。2.制备Au/BZN/Au平板结构电容器,测试BZN薄膜的介电性质。研究了不同成分,电极材料,退火工艺（CFA,RTA）对其性能的影响。实验得到可调率约20%,损耗0.002—0.004的BZN薄膜。3.研究了BZN薄膜电容器在不同频率下的介电性能。BZN薄膜的可调性在测试范围内没有明显的频率依赖性。但是在测试频率在100Hz时,BZN薄膜电容器的C-V曲线出现变形,这可能是电极与薄膜之间的缺陷引起的空间电荷极化引起的。4.对比了BST与BZN的介电性能,分析了两者可调和损耗机理。有序无序型的BZN材料的可调曲线相对平缓,损耗较低,而位移型的BST材料可调曲线陡峭,损耗相对较高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电介质材料与电介质薄膜
• 1.2 微波介质材料研究背景
• 1.2.1 微波介质材料与谐振器
• 1.2.2 微波调谐的应用及研究意义
• 1.2.3 微波调谐应用对材料介电性能的要求
• 1.3 BZN薄膜的简介及研究现状
• 1.3.1 BZN材料的结构
• 1.3.2 BZN薄膜的研究现状
• 1.3.2.1 BZN薄膜制备工艺
• 1.3.2.2 薄膜的组分变化和掺杂
• 1.3.2.3 薄膜器件结构的选择
• 1.3.2.4 薄膜的退火处理
• 1.4 本论文的选题依据和研究内容
• 第二章 实验基本原理
• 2.1 溅射原理
• 2.1.1 溅射基本原理
• 2.1.2 射频溅射原理
• 2.1.3 磁控溅射原理
• 2.2 BZN薄膜微观结构表征方法
• 2.2.1 X射线衍射原理
• 2.2.2 AFM的工作原理
• 2.2.3 SEM的工作原理
• 2.2.4 XPS分析基本原理
• 2.3 电学性能测试
• 2.3.1 电极的制备
• 2.3.2 介电常数的测量
• 2.3.3 可调率的测量
• 2.3.4 介电损耗的测量
• 第三章 BZN靶材和薄膜的制备
• 3.1 BZN靶材的制备
• 3.1.1 原材料的选择
• 3.1.2 制备工艺
• 3.1.3 磁控溅射设备系统简介
• 3.2 溅射法制备BZN薄膜
• 3.2.1 基片的选择
• 3.2.2 溅射参数的选择
• 3.2.3 衬底温度对薄膜成分的影响
• 3.2.4 衬底温度对薄膜表面形貌的影响
• 3.2.5 功率对薄膜表面形貌的影响
• 3.3 退火处理对BZN薄膜的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 BZN薄膜介电性能研究
• 4.1 不同靶组分对BZN薄膜介电性能的影响
• 4.2 电极材料对介电性能的影响
• 4.3 退火处理对BZN薄膜介电性能的影响
• 4.4 介电常数和可调率的频率谱
• 4.5 介电性能的分析和研究
• 4.5.1. BZN材料与BST材料介电可调性的对比
• 4.5.2. BZN材料与BST材料损耗的对比
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文目录