STO薄膜的非线性介电性质及其微波应用研究

论文摘要

SrTiO3（STO）薄膜在液氮温区具有良好的非线性介电性质，且可与高温超导薄膜，如YBa2Cu3O7-x（YBCO）薄膜，组成异质外延多层薄膜，是研制各种高品质压控微波器件的重要材料。本论文首先开展了STO薄膜的脉冲激光沉积技术（PLD）生长研究，系统研究了各种工艺参数（沉积温度、氧分压、激光能量密度、脉冲频率、原位退火时间等）以及基片（基片种类、基片台阶结构等）对STO薄膜微观结构影响的规律，优化了STO薄膜的生长工艺，制备出了高质量的STO薄膜；并在此基础上，提出了采用基片斜切处理和间隙式沉积相结合的方法，实现了STO薄膜的二维层状异质外延生长，获得了结晶良好、表面平整的STO外延薄膜，当薄膜厚度为300nm时，薄膜均方根表面粗糙度RMS=0.25nm，达到了原子级平整。为STO／YBCO集成薄膜的生长奠定了基础。在工艺参数优化的基础上，本论文还系统研究了STO薄膜介电性质与微观结构的关系，重点讨论了晶粒尺寸、薄膜应力等对STO薄膜非线性介电性质的影响。研究结果表明：晶粒尺寸较大的STO薄膜，体现出较强的非线性介电性质；当STO薄膜存在压应力时，薄膜在应力方向的非线性介电性减弱，当STO薄膜存在张应力时，薄膜在应力方向的非线性介电性增强。这些研究结果为优化STO薄膜非线性介电性质提供了必要的理论依据。作为氧化物薄膜，氧空位必然对STO薄膜的非线性介电性质产生影响，为此本论文还系统研究了氧空位浓度对STO薄膜介电性质的影响。实验发现：含有较高浓度氧空位的STO薄膜，其非线性介电性较高，但是耐压能力下降，而含有较低浓度氧空位的STO薄膜，其非线性介电性较低，但是耐压能力较强，为此，本论文提出了通过在STO薄膜生长过程中连续改变沉积氧分压的办法，制备出了氧空位浓度梯度变化的STO薄膜，该薄膜体现出良好的非线性介电性和抗电强度，具有较大的实用价值，目前尚未见报导。为了定量研究STO薄膜的介电性质，本论文在总结介质薄膜覆盖的叉指电容计算方法的基础上，利用有限元建模，分析了高介电常数铁电薄膜叉指电容器的特性，优化了叉指电容拓扑结构，从而提高电容可调率。研究发现：当薄膜介电常数为基片介电常数3倍以上时，叉指电容量与薄膜介电常数近似成线性关系；

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摘要

ABSTRACT

第一章引论

1.1 铁电材料研究进展及其应用

1.2 STO薄膜的性质

1.3 压控微波器件的研究现状

1.4 本论文的选题及研究目标

第二章实验原理与方法

2.1 STO薄膜的生长方法

2.1.1 PLD基本原理

2.1.2 PLD的技术优势

2.1.3 设备简介

2.2 STO薄膜微观结构的表征

2.2.1 原子力显微分析

2.2.2 X射线衍射分析

2.2.3 STO薄膜的厚度测量

2.3 压控电容的研制工艺流程

2.4 STO薄膜介电性能的测量

2.4.1 STO薄膜的介电性能的低频测量

2.4.2 STO薄膜介电性能的高频测试和微波电路的测量

2.4.3 STO薄膜的漏电流测量

第三章压控电容的设计

3.1 叉指电容的物理模型

3.2 叉指电容计算的经验公式

3.3 叉指电容的保角变换计算

3.4 叉指电容的有限元建模分析

3.5 铁电薄膜压控电容的建模分析

3.5.1 IDC的两个等比率放缩

3.5.2 薄膜介电常数对叉指电容的影响

3.5.3 叉指拓扑结构对叉指电容的影响

3.5.4 采用叉指电容研究STO薄膜菲线性介电性质

3.6 压控电容的微波S参数提取

第四章 STO薄膜的PLD生长研究

4.1 工艺参数对STO薄膜微观结构的影响

4.1.1 激光能量密度对STO薄膜的影响

4.1.2 生长湿度对STO薄膜微观结构的影响

4.1.3 氧分压对STO薄膜的影响

4.1.4 激光脉冲频率对STO薄膜表面形貌的影响

4.1.5 原位退火对STO薄膜的影响

4.2 基片特性对STO薄膜微观结构的影响

4.2.1 基片种类对STO薄膜微观结构的影响

4.2.2 表面台阶结构对STO薄膜微观结构的影响

4.3 STO薄膜生长工艺参数的优化

第五章 STO薄膜非线性介电性质研究

5.1 晶粒尺寸对薄膜非线性介电性能的影响

5.2 应力对STO薄膜非线性介电性能的影响

5.3 氧空位对STO薄膜介电性能的影响

5.4 氧空位浓度梯度薄膜的研究

5.5 STO／YBCO集成薄膜的生长及性质研究

第六章 STO薄膜压控微波器件与电路应用

6.1 STO薄膜压控电容谐振器的研制

6.2 STO薄膜压控电容微带滤波器的研制

6.3 STO薄膜单片式压控滤波器的设计

第七章结论

参考文献

致谢

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