【正文】 ........................................................................18 致謝 ..................................................................................................................................19 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 緒論 BMN 薄膜的研究背景及意義 所謂介電可調(diào)薄膜材料是指一種介電常數(shù)會隨著外加偏壓電場的變化而發(fā)生明顯變化的材料?？梢岳眠@種特點(diǎn)制成各種微波壓控器件 [5]。如移相器、可調(diào)濾波器、壓控振蕩器 [4]等。這些微波元器件可以根據(jù)工作需要調(diào)節(jié)微波信號的相位、頻率、振幅等參數(shù)。在微波通信、 雷達(dá)、衛(wèi)星系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用 [1]。比如相控陣?yán)走_(dá)的移相器，就是利用控制電壓的方法來控制陣列天線中各輻射單元的相位的變化，使得天線波束指向在空間移動，而天線本身很少甚至不需要作機(jī)械運(yùn)動 [3]。由于它具有增益高、功率大、精度高、可靠性和穩(wěn)定性高、容易與數(shù)字計算機(jī)結(jié)合等特點(diǎn)，從而得到了各國的重視 [3]。 近年來，隨著微波通訊產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，微波通信系統(tǒng)日趨小型化、集成化。這對微波器件的尺寸、靈敏度、響應(yīng)速度、工作電壓以及成本方面便提出了很高的要求 [1]。在 20 世紀(jì) 60 年代，介電可調(diào)材料在高頻微波器 件中的潛在應(yīng)用價值就受到了學(xué)者們的注意 [4]。但由于當(dāng)時微電子加工和材料制備技術(shù)不夠成熟，直到 90 年代，壓控可調(diào)器件才真正意義上取得較大突破 [2]。目前，國內(nèi)外針對塊體材料及其器件的研究和應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟 [1]。但塊體材料由于其尺寸因素，無法滿足集成化、小型化的發(fā)展要求 [1]。相對于塊體材料而言，薄膜材料具有尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)速度快以及工作電壓低等優(yōu)勢。而且薄膜材料相對于體材料而言還具有更低的介質(zhì)損耗，更小的漏電流，以及更好的調(diào)諧率等優(yōu)點(diǎn)。 在目前的微波可調(diào)領(lǐng)域中，最受關(guān)注、研究最為集中、最深入、以 及應(yīng)用最為廣泛的薄膜材料便是鐵電材料鈦酸德鋇 BaxSr1xTiO3(BST)了 [1]。 BST 材料兼具有高介電調(diào)諧率和高介電常數(shù)的特點(diǎn) [2]。但 BST 材料的介電損耗相對較高，因此，用其所制成的微波器件的品質(zhì)因子便有所下降，這會對系統(tǒng)的整體性能造成影響 [8]。另外，鐵電材料的介電常數(shù)受溫度的影響，如果工作溫度在鐵電相變溫點(diǎn)附近，就會導(dǎo)致介電調(diào)諧率產(chǎn)生波動，這也是限制鐵電材料在微波可調(diào)器件應(yīng)用的重要因素[2]。所以，在過去的研究中 ,人們想了很多辦法來降低它的介電損耗 [2]。例如通過摻雜和后處理等技術(shù)手段，從而使 薄膜的微結(jié)構(gòu)得到改善；以及制備多層復(fù)合薄膜第一章 緒論 2 來使薄膜的界面特性及整體性能得到優(yōu)化 [1]。通過這些途徑 BST 薄膜材料的介電損耗值可以降低到 以下 ,但同時這些方法也會導(dǎo)致薄膜的介電調(diào)諧率也會有一定程度的下降 [1]。 通常對介電可調(diào)材料的評價有兩個性能指標(biāo)，一是介電調(diào)諧率，二是介電損耗 [21]。介電調(diào)諧率表征了在外加偏置電場下，材料或器件的介電常數(shù)具有的非線性變化特性 [2]。通常用相對介電調(diào)諧率 nr表示 [16,17]: nr=[ε(0) ε(E0)]/ ε(0) 其中， ε0 為外加偏置電場為零時材料的介 電常數(shù) ,ε(E0) 代表外加電場強(qiáng)度為 E0時材料的介電常數(shù) [2]。 電介質(zhì)的損耗是指，介質(zhì)材料在電場作用下，會將一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而造成能量的損失的現(xiàn)象 [2]。介質(zhì)材料的介電損耗 tanδ 通常用介電常數(shù)虛部 ε39。39。與介電常數(shù)實(shí)部 ε39。的比值表示 [2]： tanδ=ε39。39。/ε39。 我們通常希望制備得到的可調(diào)材料既具有較高的介電調(diào)諧率，又有較低的介電損耗 [2]。這樣才能確保介質(zhì)材料制備的可調(diào)器件具有優(yōu)良的調(diào)諧性能和較高的品質(zhì)因數(shù) [2]。 最近，研究發(fā)現(xiàn)，某些具有立方焦綠石結(jié)構(gòu)的介質(zhì)薄膜材料也有一定的介電調(diào)諧率，并且有著很小的介電損耗 [2]。比如鈮酸鋅鉍 （ BZN），有著較為適中常數(shù)的（ 150～ 200），以及較小的介電損耗（ ） [2]。但 BZN 的介電調(diào)諧率較低，必須在很高的偏置電場下才能得到較高的介電調(diào)諧率 [2]。要在較低的調(diào)諧電場下獲得較高的調(diào)諧率，通常采用多層 BST 和 BZN 復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到適量的性能折中 [2]。另外 ,在 BZN 薄膜中引入極性較強(qiáng)的組分來加強(qiáng)介電極化也是一種提高介電調(diào)諧率的有效方法，但這種方法會導(dǎo)致介電損耗的相應(yīng)增加 [2]。 為了讓介電可調(diào)薄膜材料兼具高介電調(diào)諧率和低介電損耗的特點(diǎn) [9]。本文研究的鈮酸鉍鎂 （ BMN）鉍基立方焦綠石結(jié)構(gòu)薄膜材料 [5],是用 Mg2+來代替 BZN 材料中的 Zn2+離子而得到的 ,相比原 BZN 材料，不但具有更高的介電調(diào)諧率 ,而且保持其低介電損耗值的良好特性 [1]。有報道稱在調(diào)諧電場為 時， BMN 調(diào)諧率為 %，同時介電損耗保持在 左右 [22]。且由沒有了容南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 易揮發(fā)的 Zn組分 ,使得 BMN薄膜材料的可重復(fù)性得到增強(qiáng) ,其制備相對 BZN材料更為 簡便 [1]。與 BST 材料相比 ,BMN 材料的介電損耗值較低 [8],并且由于其是非鐵電材料的緣故 ,BMN 材料用于比 BST 材料具有更好的溫度穩(wěn)定性 [1]。利用 BMN 薄膜材料制備的微波器件 ,將具有高的品質(zhì)因子、低插入損耗、以及良好的介電特性 ,具有廣泛的發(fā)展前景 [1]。 BMN 薄膜研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外相關(guān)研究 早在 20 世 90 年代，便有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，鉍基焦綠石結(jié)構(gòu)的 Bi2O3MgONb2O5體系具有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗 [7]。此后，人們對此類材料更為深入的進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果 [2]。鈮酸鉍鎂材料除了上文提到的 形式外，還有一種主要的化學(xué)計量比 Bi2Mg2/3Nb4/3O7，該種材料具有較高的介電常數(shù)（ ~210），但不具備介電可調(diào)性能 [15] 相較于介電常數(shù)較低的 Bi2Zn2/3Nb4/3O7（ ~80）而言，其高介電常數(shù)是 Mg2+替代 Zn2+從而增強(qiáng)了材料介電響應(yīng)導(dǎo)致的 [2]。Bi2Mg2/3Nb4/3O7 屬于單斜晶系，通常制備溫度較低，同時用于較小的介電損耗和漏電流密度 [14]，適用于制備嵌入式電容 [2]。目前，主要是韓國的 JongHyun park 等學(xué)者從事 Bi2Mg2/3Nb4/3O7材料的成分、結(jié)構(gòu)和介電性能等研究，并將之運(yùn)用于相應(yīng)器件 [15]。 國外目前對于具有介電調(diào)諧特性的 材料研究較少，主要集中在其制備工藝上，如 JunKu Ahn 等人在 Pt/TiO2/SiO2/Si 基片上利用射頻磁控濺射（ 500oC）制備出了具有較高介電常數(shù)（ 104），且結(jié)晶良好的 薄膜 [10]。國內(nèi)學(xué)者利用射頻濺射在藍(lán)寶石基片上沉積了具有調(diào)諧性能的 薄膜，其介電常數(shù)適中（ ~86），介電損耗低（ ~），當(dāng)外加偏置電場 [13]，最大的介電調(diào)諧率可達(dá) 39%[16]。 雖然現(xiàn)在對于介電可調(diào) 薄膜材料的研究日益深入，但對其介電調(diào)諧機(jī)理，損耗類型和損耗機(jī)理的研究尚不充分 [5]，這限制了該類材料的性能優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用 [2]。 第一章 緒論 4 鈮酸鉍鎂 （ BMN） 具有立方焦綠石結(jié)構(gòu) [6]。立方焦綠石晶體表達(dá)式 為 A2B2O6Oˊ[2]。圖 1 為立方焦綠石晶體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中， B2O6八面體和 A2O′四面體相互套構(gòu)，共同形成了相互作用力較弱的晶體結(jié)構(gòu) [2]。目前學(xué)術(shù)界尚無 BMN 準(zhǔn)確的晶體結(jié)構(gòu)模型，因此以同類材料鈮酸鋅鉍 （ BZN）為例來介紹 Bi 基立方焦綠石結(jié)構(gòu)， BZN 晶體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 [18]： 圖 1 立方焦綠石結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Schematic diagram of cubic pyrochlore structure 圖 2 晶體結(jié)構(gòu) Fig 2 Crystal structure of 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 BZN 由 A2O′四面體和 B2O6八面體套構(gòu)而成， A 位由 Bi 占據(jù)， B 位由 Nb 占據(jù) [5]。在〈 110〉方向有 21%的 Bi 原子被 Zn 原子取代，還有 4%的 A 位為空穴。另外有 25%的 Zn 原子取代了 B 位的 Nb 原子 [2]。每個 A 位原子有 6 個等效位置， O′離子也有 12 個等效位置，從而展現(xiàn)出隨機(jī)性位移，并產(chǎn)生無序性結(jié)構(gòu)特點(diǎn) [2]。 相關(guān)研究表明 [1