【正文】 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(chǎng)下才能得到較高的介電調(diào)諧率 [2]。另外 ,在 BZN 薄膜中引入極性較強(qiáng)的組分來(lái)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(huì)導(dǎo)致介電損耗的相應(yīng)增加 [2]。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(lái)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]。且由沒(méi)有了容南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(duì) BZN材料更為 簡(jiǎn)便 [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]。此后，人們對(duì)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]。Bi2Mg2/3Nb4/3O7 屬于單斜晶系，通常制備溫度較低，同時(shí)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]。 國(guó)外目前對(duì)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]。 雖然現(xiàn)在對(duì)于介電可調(diào) 薄膜材料的研究日益深入，但對(duì)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]。立方焦綠石晶體表達(dá)式 為 A2B2O6Oˊ[2]。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]。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。每個(gè) A 位原子有 6 個(gè)等效位置， O′離子也有 12 個(gè)等效位置，從而展現(xiàn)出隨機(jī)性位移，并產(chǎn)生無(wú)序性結(jié)構(gòu)特點(diǎn) [2]。占據(jù) A 位的位移型陽(yáng)離子間產(chǎn)生的隨機(jī)場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致極化現(xiàn)象的產(chǎn)生 [2]。 在以往的研究中 ,認(rèn)為 BZN 薄膜材料的介電調(diào)諧機(jī)制與立方焦綠石結(jié)構(gòu)A2B2O6O39。離子的無(wú)序特性及其介電響應(yīng)有關(guān) [1]。因此 ,將 BZN 材料中的 Zn2+離子用極化能力更強(qiáng)、離子半徑更小的 Mg2+離子取代 [5],得到的 BMN 材料將會(huì)比原 BZN 材料具有更高的介電調(diào)諧潛力 [1]。 本文研究?jī)?nèi)容 (1) 采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制備磁控濺射用 BMN 陶瓷靶材 (2) 采用磁控濺射法在 Pt(111)/Ti/SiO2/Si 襯底上 制備 BMN 薄膜，研究濺射 氣壓對(duì) BMN 薄膜相結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分、顯微形貌 以及介電性能的影響。該工藝過(guò)程可以主要分成制備粉料、成型生坯和樣品燒結(jié)三個(gè)主要過(guò)程 [19]。因此控制好這三個(gè)主要環(huán)節(jié)將對(duì)樣品的性能產(chǎn)生很大影響。 根據(jù)化學(xué)式 ，對(duì)預(yù)處理后的 Bi2O MgO、 Nb2O5等原料進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算，考慮到 Bi 易揮發(fā)，稱重時(shí) Bi2O3過(guò)量 10%。），加入無(wú)水乙醇作為分散劑進(jìn)行球磨。球磨時(shí)間為 8 小時(shí)。球磨后進(jìn)行烘干、研磨，并在 750℃的溫度下進(jìn)行預(yù)燒，保溫兩小時(shí)。預(yù)燒的主要目的主要是使混合原料經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成所需要的產(chǎn)物的主晶相，改變?cè)系慕Y(jié)構(gòu)將有利于陶瓷樣品的成型和燒結(jié)，從而獲得性能良好的陶瓷靶材。二次球磨的目的主要是細(xì)化結(jié)晶的粉料，為后續(xù)的燒結(jié)做準(zhǔn)備。由于陶瓷粉料的顆粒細(xì)小，表面活性較大，因此其表面吸附了較多的氣體，其堆積密度較小。但是，如果加入粘合劑使細(xì)小粉 料形成團(tuán)粒，則會(huì)加大粉料的流動(dòng)性，使得粉料方便裝模，并且分布均勻。值得注意的是，粘結(jié)劑的加入量過(guò)少，則成型困難，過(guò)多會(huì)導(dǎo)致陶瓷靶材致密度降低。 圖 3 陶瓷靶材的工藝流程 Fig 3 Preparation process of the sintered ceramic target 實(shí)驗(yàn)采用的燒成工藝 是常壓燒結(jié)。為了減少燒結(jié)過(guò)程中粘結(jié)劑的快速排出，導(dǎo)致靶材內(nèi)部含有大量氣孔以及內(nèi)應(yīng)力分布不均勻的情況，燒結(jié)前，需要對(duì)靶材生坯進(jìn)行排膠處理，采用高溫加熱的方式使靶材中的聚乙烯醇排出。本實(shí)驗(yàn)中，排膠溫度為 600℃，升溫 12h，保溫 36h。為了防止 Bi的揮發(fā)，本實(shí)驗(yàn)中 BNM 陶瓷靶材的燒結(jié)采用埋燒。接著從 100℃升至燒結(jié)溫度 1050℃，這一階段各組分初步的反應(yīng)開(kāi)始在胚體內(nèi)部發(fā)生。接著在燒結(jié)溫度下保溫 210h，使得各組分發(fā)生充分的物理變化和化學(xué)反應(yīng)，接著隨爐冷卻至室溫，即可獲得結(jié)構(gòu)致密的陶瓷靶材。因?yàn)楣饣叫械谋砻婺軌蚓o密貼合濺射儀中的靶材裝置臺(tái)，有利于濺射過(guò)程中靶材的冷卻，防止離子轟擊誘發(fā)的靶材高溫，從而產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致靶材開(kāi)裂。此外，吸附在襯底表面的顆粒雜質(zhì)，將導(dǎo)致制備的薄膜不均勻，增大薄膜的表面粗糙度，從而嚴(yán)重影響薄膜的性能 [12]。實(shí)驗(yàn)中，采用較為成熟的工藝對(duì)襯底的進(jìn)行清洗，具體步驟如下： 首先將襯底 放入丙酮溶液中，通過(guò)超聲清洗 20 min 去除殘留在襯底表面的有機(jī)物；接著用鑷子取出襯底放入乙醇溶液，通過(guò)超聲清洗 15 min 以去除殘留的丙酮；最后將襯底放入去離子水中，同樣超聲清洗 15 min。 BMN 薄膜制造工藝 磁控濺射制備 BMN 薄膜的主要流程如下 : （ 1） 在陰極靶材位置上安裝 BMN 陶瓷靶材，將預(yù)處理的襯底固定在基板支架上。 （ 2）到達(dá)本底真空度后，向?yàn)R射腔室內(nèi)通入高純的氬氣，調(diào)節(jié)流量計(jì)使氣壓控制在~，加高壓對(duì)基片再次進(jìn)行清洗 5~10min，以去除安裝襯底時(shí)其表面吸附的雜質(zhì)。 （ 4） 當(dāng)襯底溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)溫度后，先關(guān)閉靶材擋板，調(diào)節(jié)射頻功率至 150W，預(yù)濺射 3~5min，以去除靶材表面的污染物，達(dá)到凈化靶材表面的目的。 （ 6） 調(diào)節(jié)電壓為 120 V，打開(kāi)擋板，開(kāi)始鍍膜 。 電容結(jié)構(gòu) BMN 薄膜樣品的制備 為了測(cè)試 BMN 薄膜樣品的介電性能 ,需要將薄膜樣品制備成電容結(jié)構(gòu)薄膜電容器結(jié)構(gòu)一般米用 CP結(jié)構(gòu) ,即共面電容器 (colanar capacitor)結(jié)構(gòu)或是 MIM結(jié)構(gòu) ,即平行板電容器 (metalinsulatormetal)結(jié)構(gòu) [1]。并能有效地避免 CP 結(jié)構(gòu)中存在的邊緣電容 (fringing capacitance)效應(yīng)。 MIM 薄膜電容器結(jié)構(gòu) MIM 結(jié)構(gòu)是一種傳統(tǒng)的電容器結(jié)構(gòu) ,即上下兩金屬電極層中間夾一層介質(zhì)薄膜 ,利用上下電極來(lái)進(jìn)行介電性能測(cè)試 [1]。 圖 4 MIM 電容器結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 4 Schematic of the parallelplate capacitor device 以 BZN 平行板電容器為例 ,MIM 結(jié)構(gòu)薄膜電容器的等效電路如圖 27 所示 [1]。從這一等效電路可以得出 ,總器件損耗可以用下式描述： 1/Qtotal=1/Qleakage+1/QBZN+1/QElectrode 其中 Qleakage 與 QEIectrode 均為 ω(測(cè)試頻率 )的函數(shù) ,即 : 第二章 研究方法與實(shí)驗(yàn) 10 Qleakage=ωC/Gdc QEiectrode=1/ωRsC 故平行板電容器的品質(zhì)因子為頻率的函數(shù) [1]。在 10kHz 到 1MHz 這一頻率范圍內(nèi)則主要受 QBZN項(xiàng)影響 ,Q值近似于常數(shù) [1]。研究表明分別用 Au及 Pt作為電極測(cè)出來(lái)的 Q值 ,在去除電極的影響后 (Rs 項(xiàng) ),在高頻下 Q值的差異有所減少 ,兩種電極測(cè)得的 Q 值變得較為接近 [1]。這是塊材器件所沒(méi)有的 ,是由于器件薄膜化后所引入的[1]。這要求我們?cè)O(shè)計(jì)器件的時(shí)候也要考慮其尺寸帶來(lái)的影響 [1]。本文的工作中選用 Pt 作為電極材料 ,其主要原因有三個(gè) [1]。二是 Pt 溶點(diǎn)高 ,能耐高溫 ,使得高溫沉積及高溫退火制備 BMN 薄膜的過(guò)程中電極不會(huì)受到影響 [1]。此外使用一層很薄的 Ti 作為基片與 Pt 電極及 BMN 薄膜與 Pt 電極之間的過(guò)渡層 ,增加 Pt電極的粘附性以增強(qiáng)其附著力 ,并作為阻擋層防止 Pt電極擴(kuò)散到基片或 BMN 薄膜中 [1]。 Pt底電極由所構(gòu)襯底直接提供，定電極通過(guò) JFC1600 型離子濺射儀制備。 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(yīng)力。 通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（ Ultra55 FESEM）對(duì) BMN 薄膜樣品的表面形貌進(jìn)行分析。 通過(guò)精密阻抗分析儀（ A m e r ic a 42 94 A ,A gi le nt ）對(duì) BMN薄膜樣品的介電性能進(jìn)行測(cè)試。?? ?? （ 21） 式（ 31）中 39。這里 ?tan 的包括了介電