【正文】 N薄膜，其晶粒尺寸較低氣壓下所制得的薄膜大。另外，氣壓的升高對 Bi2O3的揮發(fā)也有很好的抑制作用。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)。 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。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]。 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]。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]。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]。39。/ε39。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]。 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]。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]。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]。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]。圖 1 為立方焦綠石晶體結(jié)構(gòu)示意圖。另外有 25%的 Zn 原子取代了 B 位的 Nb 原子 [2]。當(dāng)施加一定程度的外加電場時，這種極化會更加明顯，從而使得 BMN 表現(xiàn)出可調(diào)諧特性 [2]。所以通過研究 A位離子的構(gòu)成、無序分布以及電場作用下的馳豫運(yùn)動和計劃響應(yīng) ,可以改善秘基 立方焦綠石結(jié)構(gòu)薄膜材料的調(diào)諧性能 [1]。 第二章 研究方法與實(shí)驗(yàn) 6 第二章 研究方法與實(shí)驗(yàn) BMN 陶瓷靶材的制備 本實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的二次球磨固相反應(yīng)法制備 BMN 陶瓷靶材 [10]，其制備工藝流程如圖 3 所示。下面將簡單介紹主要步驟的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。（料、球、乙醇的質(zhì)量比為 1:2:1）。預(yù)燒時盡量將粉料壓實(shí)，以減少煅燒過程中 Bi 的揮發(fā)。球磨后經(jīng)過干燥、研磨，添加粘合劑進(jìn)行造粒。這有利于成型胚體密度的提高，改善胚體密度的均勻分布。由于靶材生坯中添加了粘結(jié)劑聚乙烯醇，在高溫環(huán)境下聚乙烯醇容易受熱分解。 燒結(jié)是陶瓷樣品制備過程的關(guān)鍵性工藝，陶瓷生坯經(jīng)過燒結(jié)過程，一系列的物理變化、化學(xué)反應(yīng)將在生坯內(nèi)部發(fā)生，使得生坯轉(zhuǎn)變成致 密的陶瓷體。因?yàn)榘胁某叩诙? 研究方法與實(shí)驗(yàn) 8 寸較大，胚體內(nèi)部和表面的溫差較大，熱膨脹不一致容易導(dǎo)致靶材開裂，這一階段的升溫速率不易過快，實(shí)驗(yàn)中采用的是 5℃ /min。 襯底的預(yù)處理 薄膜的制備對襯底的清洗要求非常嚴(yán)格，襯底表面殘留的有機(jī)污染物會降低薄膜與襯底之間的粘附力，導(dǎo)致薄膜容易脫落。洗好的襯底烘干備用。 （ 3） 關(guān)閉高壓，打開基片旋轉(zhuǎn)電機(jī)，調(diào)節(jié)基片轉(zhuǎn)速（ 30rpm）。 （ 7） 實(shí)驗(yàn)濺射的 BMN 薄膜均為非晶薄膜，經(jīng)過 750 ℃快速退火 30 min 得到晶化薄膜。故本文的工作中采用 MIM 電容器結(jié)構(gòu) [1]。圖中 Rs 為上下電極引起的串聯(lián)電阻及界面電阻 ,Gdc 代表了運(yùn)動電荷引起的漏導(dǎo) ,Gac是交流介電損耗 ,C 代表了 BZN 的電容量 [1]。當(dāng)頻率在 1MHz 以上時 ,Q 值會隨著頻率增加而減少 ,這是受 QElectrode 項(xiàng)的影響 ,即電極引入的串聯(lián)電阻及界面電阻 Rs[1]。有研究認(rèn)為這一尺寸效應(yīng)是 由介質(zhì)薄膜的金屬電極膜層、其界面及表面態(tài)之間的隧道電阻所造成的。一是 Pt 具有良好的導(dǎo)電性 ,如果電極材料的電阻過大 ,在測試過程中就會引入測量誤差 ,影響測試結(jié)果 [1]。 本實(shí)驗(yàn)中采用圖 4 所示的 MIM 平行板電容器結(jié)構(gòu)對薄膜進(jìn)行電性能測試。 對薄膜進(jìn)行表征 采用 X 射線衍射儀（ ARLXTRA， Thermo Electron Co.， Switzerland）對 BMN薄膜的物相進(jìn)行鑒定， X 射線源采用 Cu靶 Kɑ線，波長 λ= nm，儀器的工作南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 參數(shù)為 :加速電壓為 40 kV，工作電流為 35 mA，掃描速度為 10? /min 掃描角度范圍 為 10? ~60? 。測得的介電損耗為有效損耗的正切值（ ?tan ），用下式表示： tan 39。 通過測試得到的 CV 曲線評估其調(diào)諧能力，計算公式如下 [27]： 00()1 0 0 %VCCC? ??? （ 22） 式（ 32）中 ? 為薄膜的介電調(diào)諧率，0C為外加電場為零時薄膜的電容值，VC為外加電場值最大時薄膜的電容值。在 Pa 到 Pa的濺射氣壓下， BMN 薄膜樣品都具有明顯的立方焦綠石結(jié)構(gòu)，觀察到明顯的（ 222）、（ 400）、（ 440）及（ 622）峰，說明薄膜樣品的結(jié)晶情況良好。 濺射氣壓對 BMN 薄膜表面形貌的影響 由于輝光放電過程中產(chǎn)生復(fù)雜的散射機(jī)理，在磁控濺射法制備薄膜的過程中，總的濺射氣壓很大程度上影響著輝光中粒子碰撞的幾率和粒子到達(dá)襯底時所具備的能量，并最終反映在薄膜的表面形貌上 [10]。當(dāng)濺射氣壓增加到 Pa 時，薄膜晶粒尺寸約為 70nm，大小較為均一，表面孔洞較少。 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 14 （ a） （ b） （ c） （ d） （ e） 圖 32 不同濺射氣壓下沉積 BMN薄膜的 FESEM圖， (a) Pa, (b) Pa, (c) Pa, (d) Pa, (e) Pa Fig 32 FESEM of BMN films deposited at (a) Pa, (b) Pa, (c) Pa, (d) Pa, (e) Pa 濺射氣壓對 BMN 薄膜電性能的影響 南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 選取濺射氣壓 Pa 和 Pa BMN 薄膜為研究對 象，控制薄膜厚度均為 300 nm 左右。在 1 MHz 下，濺射氣壓 Pa 和 Pa BMN 薄膜的相對介電常數(shù)分別為 100 和 和 。所制薄膜都表現(xiàn)出了介電可調(diào)性能，介電常數(shù)隨著電場的增大而減小 ，介電損耗基本保持不變。氣壓的升高對薄膜的介電性能也是有利的。當(dāng)氣壓 升高到 Pa 時，雜相消失， 表明較高的濺射氣壓能有效的抑制 Bi2O3的揮發(fā)。但過高的氣壓不利于晶粒的生長，同時對沉積速率也有影響。當(dāng)濺射氣壓增加到 Pa 時，薄膜晶粒尺寸約為 70nm，大小較為均一，表面孔洞較少。得出以下結(jié)果 : 隨著濺射氣壓的升高， BMN 薄膜顯示出明顯的（ 222）擇優(yōu)取向 。 圖中可以看出， 濺射氣壓為 Pa 時，沉積薄膜的介電調(diào)諧率 約為 26%；濺射氣壓為 Pa 時，薄膜的介電調(diào)諧率約為 13%，且濺射氣壓 Pa 時較濺射氣壓為 Pa BMN 薄膜擊穿場強(qiáng)較大、損耗較低。 從圖 33 (b)看出在 1 MHz–10 MHz 的頻率范圍內(nèi)，BMN 薄膜的介電常數(shù)隨頻率的升高逐漸減小，損耗隨頻率升高而增大 。 200 400 600 800 10000306090120(a)Frequency (kHz)Dielectric lossDielectric constant101 .6 Pa 4 .0 P a0 . 0 0 00 . 0 0 50 . 0 1 00 . 0 1 50 . 0 2 00 . 0 2 50 . 0 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100306090120(b) 1 .6 Pa 4 .0 PaDielectric lossDielectric constantFrequency (MHz)0 . 0 00 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 0 圖 33 不同濺射氣壓下沉積 BMN薄膜的介電常數(shù)和介電損耗隨頻率的變化曲線， (a) 10 kHz 1 MHz， (b) 1 MHz 10 MHz Fig 33 Frequency dependence of dielectric constant and die