【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的組分來加強介電極化也是一種提高介電調(diào)諧率的有效方法，但這種方法會導致介電損耗的相應增加 [2]。本文研究的鈮酸鉍鎂 （ BMN）鉍基立方焦綠石結構薄膜材料 [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]。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]。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，人們對此類材料更為深入的進行了研究，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），且結晶良好的 薄膜 [10]。 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)諧機理，損耗類型和損耗機理的研究尚不充分 [5]，這限制了該類材料的性能優(yōu)化和實際應用 [2]。立方焦綠石晶體表達式 為 A2B2O6Oˊ[2]。圖中， B2O6八面體和 A2O′四面體相互套構，共同形成了相互作用力較弱的晶體結構 [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 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)出隨機性位移，并產(chǎn)生無序性結構特點 [2]。占據(jù) A 位的位移型陽離子間產(chǎn)生的隨機場會導致極化現(xiàn)象的產(chǎn)生 [2]。 在以往的研究中 ,認為 BZN 薄膜材料的介電調(diào)諧機制與立方焦綠石結構A2B2O6O39。離子的無序特性及其介電響應有關 [1]。因此 ,將 BZN 材料中的 Zn2+離子用極化能力更強、離子半徑更小的 Mg2+離子取代 [5],得到的 BMN 材料將會比原 BZN 材料具有更高的介電調(diào)諧潛力 [1]。 本文研究內(nèi)容 (1) 采用傳統(tǒng)的固相反應法制備磁控濺射用 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 BMN 薄膜相結構、化學組分、顯微形貌 以及介電性能的影響。該工藝過程可以主要分成制備粉料、成型生坯和樣品燒結三個主要過程 [19]。因此控制好這三個主要環(huán)節(jié)將對樣品的性能產(chǎn)生很大影響。 根據(jù)化學式 ，對預處理后的 Bi2O MgO、 Nb2O5等原料進行質(zhì)量計算，考慮到 Bi 易揮發(fā)，稱重時 Bi2O3過量 10%。），加入無水乙醇作為分散劑進行球磨。球磨時間為 8 小時。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。預燒的主要目的主要是使混合原料經(jīng)過化學反應生成所需要的產(chǎn)物的主晶相，改變原料的結構將有利于陶瓷樣品的成型和燒結，從而獲得性能良好的陶瓷靶材。二次球磨的目的主要是細化結晶的粉料，為后續(xù)的燒結做準備。由于陶瓷粉料的顆粒細小，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。值得注意的是，粘結劑的加入量過少，則成型困難，過多會導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 實驗采用的燒成工藝 是常壓燒結。為了減少燒結過程中粘結劑的快速排出，導致靶材內(nèi)部含有大量氣孔以及內(nèi)應力分布不均勻的情況，燒結前，需要對靶材生坯進行排膠處理，采用高溫加熱的方式使靶材中的聚乙烯醇排出。本實驗中，排膠溫度為 600℃，升溫 12h，保溫 36h。為了防止 Bi的揮發(fā)，本實驗中 BNM 陶瓷靶材的燒結采用埋燒。接著從 100℃升至燒結溫度 1050℃，這一階段各組分初步的反應開始在胚體內(nèi)部發(fā)生。接著在燒結溫度下保溫 210h，使得各組分發(fā)生充分的物理變化和化學反應，接著隨爐冷卻至室溫，即可獲得結構致密的陶瓷靶材。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(chǎn)生應力導致靶材開裂。此外，吸附在襯底表面的顆粒雜質(zhì)，將導致制備的薄膜不均勻，增大薄膜的表面粗糙度，從而嚴重影響薄膜的性能 [12]。實驗中，采用較為成熟的工藝對襯底的進行清洗，具體步驟如下： 首先將襯底 放入丙酮溶液中，通過超聲清洗 20 min 去除殘留在襯底表面的有機物；接著用鑷子取出襯底放入乙醇溶液，通過超聲清洗 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，將預處理的襯底固定在基板支架上。 （ 2）到達本底真空度后，向濺射腔室內(nèi)通入高純的氬氣，調(diào)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(zhì)。 （ 4） 當襯底溫度達到實驗溫度后，先關閉靶材擋板，調(diào)節(jié)射頻功率至 150W，預濺射 3~5min，以去除靶材表面的污染物，達到凈化靶材表面的目的。 （ 6） 調(diào)節(jié)電壓為 120 V，打開擋板，開始鍍膜 。 電容結構 BMN 薄膜樣品的制備 為了測試 BMN 薄膜樣品的介電性能 ,需要將薄膜樣品制備成電容結構薄膜電容器結構一般米用 CP結構 ,即共面電容器 (colanar capacitor)結構或是 MIM結構 ,即平行板電容器 (metalinsulatormetal)結構 [1]。并能有效地避免 CP 結構中存在的邊緣電容 (fringing capacitance)效應。 MIM 薄膜電容器結構 MIM 結構是一種傳統(tǒng)的電容器結構 ,即上下兩金屬電極層中間夾一層介質(zhì)薄膜 ,利用上下電極來進行介電性能測試 [1]。 圖 4 MIM 電容器結構示意圖 Fig 4 Schematic of the parallelplate capacitor device 以 BZN 平行板電容器為例 ,MIM 結構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(測試頻率 )的函數(shù) ,即 : 第二章 研究方法與實驗 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作為電極測出來的 Q值 ,在去除電極的影響后 (Rs 項 ),在高頻下 Q值的差異有所減少 ,兩種電極測得的 Q 值變得較為接近 [1]。這是塊材器件所沒有的 ,是由于器件薄膜化后所引入的[1]。這要求我們設計器件的時候也要考慮其尺寸帶來的影響 [1]。本文的工作中選用 Pt 作為電極材料 ,其主要原因有三個 [1]。二是 Pt 溶點高 ,能耐高溫 ,使得高溫沉積及高溫退火制備 BMN 薄膜的過程中電極不會受到影響 [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 電極之間的過渡層 ,增加 Pt電極的粘附性以增強其附著力 ,并作為阻擋層防止 Pt電極擴散到基片或 BMN 薄膜中 [1]。 Pt底電極由所構襯底直接提供，定電極通過 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 薄膜之間的應力。 通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（ Ultra55 FESEM）對 BMN 薄膜樣品的表面形貌進行分析。 通過精密阻抗分析儀（ A m e r ic a 42 94 A ,A gi le nt ）對 BMN薄膜樣品的介電性能進行測試。?? ?? （ 21） 式（ 31）中 39。這里 ?tan 的包括了介電