论文摘要
铁电材料在微波可调器件上有着广阔的应用前景,如移相器、谐振器、滤波器等,目前这类材料中研究得最成熟是BaxSr1-xTiO3(BST)及其掺杂系列。而最近,Cross等发现PbxSr1-xTiO3(PST)陶瓷介电系数可调率高达70%,损耗低于0.1%,并且其薄膜具有比BST更低的晶化温度,有望成为一种更有发展前景的微波器件材料。本文采用传统陶瓷工艺制备了PST(x=0.2-0.8)陶瓷,研究了Pb/Sr比对材料微结构和介电性能的影响,优选出了介质移相器用PST靶材配比;对靶材中的Pb过量及其制备工艺进行了研究,并制备了PST30陶瓷耙材;用射频磁控溅射法制备PST薄膜,并研究了不同基片,基片温度、溅射功率、氧氩比以及退火温度对PST薄膜性能的影响。实验结果表明:PST陶瓷在Pb含量为45%时由立方顺电相向四方铁电相转变:x<0.45时,Pr和Ec都很小,无明显的电滞回线;x≥0.45时,具有明显的电滞回线,Pr和Ec都很大且随x增大而增大。随Pb/Sr比增大,PST陶瓷的烧结温度逐渐降低,相同温度烧结时,随Pb/Sr比增大陶瓷的气孔率下降,致密度增加,晶粒尺寸逐渐增大,Tc近似线性地向高温方向移动,且均比T0高4.6~11.4℃;此外,PST陶瓷还具有一致的居里常数,约为0.63×105℃。PST陶瓷在900℃下预烧2h可形成完整的钙钛矿结构且有残余的Pb3O4相;烧结温度过高以及过量的Pb都会导致电滞回线出现异常的“束腰”现象。Pb过量为3mol%的PST30陶瓷,在900℃预烧,1250℃烧结时具有最佳性能,适合作为介质移相器用溅射靶材。制备出的PST靶材平整均匀、致密度高达98.46%。本射频磁控溅射制备PST薄膜的优化工艺条件为:基片温度400℃,溅射功率100W,氧氩比1∶6,退火温度650℃,在此工艺下制备出的PST薄膜的可调率为32.46%,并得到PST薄膜的晶化温度为500℃。在LaAlO3(LAO)和Pt/Ti/SiO2/Si基片上分别制备了PST薄膜,研究表明前者具有(100)择优取向,而后者为无明显择优取向的多晶薄膜,并且LAO基片上的PST薄膜具有更大的晶粒尺寸和可调率。