【正文】 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 50 . 7 00 . 7 50 . 8 00 . 8 50 . 9 00 . 9 51 . 0 0 Dielectric lossNormalized Dielectric constant 0 . 0 00 . 0 10 . 0 20 . 0 30 . 0 40 . 0 50 . 0 6 1 .6 Pa 4 .0 PaElectric Field (MV/cm ) 圖 34 不同濺射氣壓下沉積 BMN薄膜的介電常數(shù)和介電損耗隨直流偏壓的變化曲線（ 1MHz） Fig 34 DC bias field dependence of dielectric constant and dielectric loss of BMN thin films 圖 34 為 1 MHz 測試頻率下，不同 濺射氣壓下生長薄膜的 CV特性曲線。本組實驗中，我們選取 Pa 和 Pa 濺射條件下的薄膜進行電學性能測試。當氣壓升高到 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)。這里 ?tan 的包括了介電損耗和電導損耗，論文中將統(tǒng)稱為介電損耗。 制好電極后將薄膜在 330℃馬弗爐中退火 30min，以消除電極與 BMN 薄膜之間的應力。本文的工作中選用 Pt 作為電極材料 ,其主要原因有三個 [1]。在 10kHz 到 1MHz 這一頻率范圍內則主要受 QBZN項影響 ,Q值近似于常數(shù) [1]。并能有效地避免 CP 結構中存在的邊緣電容 (fringing capacitance)效應。 （ 2）到達本底真空度后，向濺射腔室內通入高純的氬氣，調節(jié)流量計使氣壓控制在~，加高壓對基片再次進行清洗 5~10min，以去除安裝襯底時其表面吸附的雜質。因為光滑平行的表面能夠緊密貼合濺射儀中的靶材裝置臺，有利于濺射過程中靶材的冷卻，防止離子轟擊誘發(fā)的靶材高溫，從而產生應力導致靶材開裂。本實驗中，排膠溫度為 600℃，升溫 12h，保溫 36h。但是，如果加入粘合劑使細小粉 料形成團粒，則會加大粉料的流動性，使得粉料方便裝模，并且分布均勻。球磨后進行烘干、研磨，并在 750℃的溫度下進行預燒，保溫兩小時。因此控制好這三個主要環(huán)節(jié)將對樣品的性能產生很大影響。離子的無序特性及其介電響應有關 [1]。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。 國外目前對于具有介電調諧特性的 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），且結晶良好的 薄膜 [10]。且由沒有了容南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 3 易揮發(fā)的 Zn組分 ,使得 BMN薄膜材料的可重復性得到增強 ,其制備相對 BZN材料更為 簡便 [1]。 最近，研究發(fā)現(xiàn)，某些具有立方焦綠石結構的介質薄膜材料也有一定的介電調諧率，并且有著很小的介電損耗 [2]。介質材料的介電損耗 tanδ 通常用介電常數(shù)虛部 ε39。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附近，就會導致介電調諧率產生波動，這也是限制鐵電材料在微波可調器件應用的重要因素[2]。但由于當時微電子加工和材料制備技術不夠成熟，直到 90 年代，壓控可調器件才真正意義上取得較大突破 [2]。如移相器、可調濾波器、壓控振蕩器 [4]等。實驗結果顯示，制得的 BMN 薄膜具有立方焦綠石結構。另外，氣壓的升高對 Bi2O3的揮發(fā)也有很好的抑制作用。 近年來，隨著微波通訊產業(yè)的飛速發(fā)展，微波通信系統(tǒng)日趨小型化、集成化。 在目前的微波可調領域中，最受關注、研究最為集中、最深入、以 及應用最為廣泛的薄膜材料便是鐵電材料鈦酸德鋇 BaxSr1xTiO3(BST)了 [1]。介電調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]。/ε39。 為了讓介電可調薄膜材料兼具高介電調諧率和低介電損耗的特點 [9]。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+從而增強了材料介電響應導致的 [2]。圖 1 為立方焦綠石晶體結構示意圖。當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)出可調諧特性 [2]。 第二章 研究方法與實驗 6 第二章 研究方法與實驗 BMN 陶瓷靶材的制備 本實驗采用傳統(tǒng)的二次球磨固相反應法制備 BMN 陶瓷靶材 [10]，其制備工藝流程如圖 3 所示。（料、球、乙醇的質量比為 1:2:1）。球磨后經過干燥、研磨，添加粘合劑進行造粒。由于靶材生坯中添加了粘結劑聚乙烯醇，在高溫環(huán)境下聚乙烯醇容易受熱分解。因為靶材尺第二章 研究方法與實驗 8 寸較大，胚體內部和表面的溫差較大，熱膨脹不一致容易導致靶材開裂，這一階段的升溫速率不易過快，實驗中采用的是 5℃ /min。洗好的襯底烘干備用。 （ 7） 實驗濺射的 BMN 薄膜均為非晶薄膜，經過 750 ℃快速退火 30 min 得到晶化薄膜。圖中 Rs 為上下電極引起的串聯(lián)電阻及界面電阻 ,Gdc 代表了運動電荷引起的漏導 ,Gac是交流介電損耗 ,C 代表了 BZN 的電容量 [1]。有研究認為這一尺寸效應是 由介質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。 本實驗中采用圖 4 所示的 MIM 平行板電容器結構對薄膜進行電性能測試。測得的介電損耗為有效損耗的正切值（ ?tan ），用下式表示： tan 39。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構，觀察到明顯的（ 222）、（ 400）、（ 440）及（ 622）峰，說明薄膜樣品的結晶情況良好。當濺射氣壓增加到 Pa 時，薄膜晶粒尺寸約為 70nm，大小較為均一，表面孔洞較少。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 。氣壓的升高對薄膜的介電性能也是有利的。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。得出以下結果 : 隨著濺射氣壓的升高， BMN 薄膜顯示出明顯的（ 222）擇優(yōu)取向 。 從圖 33 (b)看出在 1 MHz–10 MHz 的頻率范圍內，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 。 綜述所述，濺射氣壓對薄膜表面形貌具有很大影響，選取合適的濺射氣壓，才能獲得具有尺度適中且大小均勻晶粒的 BMN 薄膜，這對于薄膜的電學性能具有重要影響。當濺射氣壓在 Pa 以下時， 觀察到部分 MgNb2O6（ JCPDS 卡號 330875）的衍射峰，這可能 是由于高溫下 Bi2O3的揮發(fā)引起的 ，這種物相的產生可能對薄膜的電性能產生一定影響。? 和 ? 分別表示有效介電常數(shù)的實部和虛部。將布滿一定尺寸小孔的掩膜板覆蓋在 BMN 薄膜上，利用離子濺射儀將 Pt 沉積到薄膜表面，取下掩膜板即可獲得分離的點狀頂電極 Pt（尺寸為 100μm100μm）。 電極的制備 MIM 電容結構的上下電極可以使用 Au、 Ag、 Pt、 Cu等材料 [1]。在低頻時品質因子主要受 Qleaakage 這一項控制 ,會隨 著頻率的增加而有所增加 [1]。 MIM 結構能充分利用外加偏置電場 ,與 CP結構相比 ,在較小的偏置電壓下能獲得較大的介電調諧率 [1]。打開分子泵對濺射腔室進行抽真空，本實驗所用的本底真空度為 104Pa。 最后對獲得的陶瓷靶材進行表 面拋光，使其兩個表面光滑平行。由于陶瓷靶材尺寸較大，排膠過程中由于收縮應力容易出現(xiàn)裂紋，所以排膠的升溫速率應盡量慢一些。加壓成型時，來不及排除的氣體不可避免的圍困在胚體中，并且粉料會在模壓的拐角處積聚，導致胚體邊緣卻塊。此為一次球磨，主要目的是使原料均勻混合，并且細化粉料 [15]。雖然介質陶瓷的組成和結構決定了陶瓷樣品的性能，但是，當樣品的組分配方確定以后，控制好制備的各個工藝環(huán)節(jié)將決定了樣品是否能夠達到所希望的性能。中 A 位離子及 O39。目前學術界尚無 BMN 準確的晶體結構模型，因此以同類材料鈮酸鋅鉍 （ BZN）為例來介紹 Bi 基立方焦綠石結構， BZN 晶體結構如圖 2 所示 [18]： 圖 1 立方焦綠石結構示意圖 Fig 1 Schematic diagram of cubic py