摘 要

现代远程微波通信系统以及各种小型微波通信电子设备的发展，需要性能更优的可调微波介质材料。其中微波介质薄膜在微波通信器件的微型化与集成化中，扮演着重要角色。单纯的微波介质薄膜通常由于某些性质还不够理想，并不能直接应用于微波器件上，需要对薄膜进行改性。而将薄膜进行复合化是一种有效的手段。这种方法在性能上具有较大调节空间，能够充分利用已有的合成经验，特别是引入了新界面，使薄膜增加额外的新奇性能。PZT铁电薄膜作为一种优异的铁电压电材料，本身具有较大的介电可调率。然而PZT薄膜较大的介电损耗和漏电流制约了其应用。BMN介电薄膜具有较低的介电损耗和适中的介电常数，因此，可以利用BMN介电薄膜作为PZT薄膜与底电极之间的缓冲层，制备PZT/BMN异质复合薄膜，以降低薄膜的损耗并保持或提高介电可调性。

本研究中，PZT和BMN前驱体溶液分别由Sol-Gel法和水溶液凝胶法制备。PZT/BMN异质复合薄膜由匀胶机在Pt/Ti/SiO₂/Si基片逐层旋涂。薄膜的晶相结构和显微结构有X射线衍射仪和场发射扫描电镜表征。薄膜的介电和铁电性能由阻抗分析仪和铁电分析仪表征。研究了不同BMN层厚度对PZT薄膜晶相、介电性能、可调性能和铁电性能的影响。

研究结果表明，随着BMN层厚度增加，PZT/BMN复合薄膜的介电损耗tanδ先减少后增加，介电可调性Tun%介电常数ε_r和先增大后减少，剩余极化强度P_r和矫顽场E_c总体逐步增大；并且当PZT/BMN复合薄膜中BMN层为16 nm时，复合薄膜获得最优的介电和调谐性能：ε_r = 749，tanδ = 0.048，FOM = 4.3，K = 29.7。介电可调性最大值在BMN层厚度为32 nm时取得，达32.7%(室温)。剩余极化的最大值（P_rmax = 28.4 μC/cm²）和矫顽场的最大值（E_cmax = 116.6 kV/mm）分别在BMN层厚度为64 nm和48 nm时取得。

关键词：钛锆酸铅，铌镁酸钡，溶胶凝胶法，水溶液凝胶法，介电可调性

Abstract

The development of modern microwave telecommunication systems and small microwave electronic communication equipment demands better microwave tunable materials. And microwave dielectric thin film plays a key role in the micromation and integration of microwave communication device. The pure microwave dielectric thin film usually can not be applied to microwave device directly for some shortcomings and need to be modified. Making laminated thin film is an effective way. The relatively large regulation potential, the full use of available experience, and the extra novel properties from new type interfaces are some of the merits of this method. PZT ferroelectric film has relatively large tunability as an excellent ferroelectric and piezoelectric material. But the large loss tangent and leakage limit its application. BMN dielectric thin film possesses relatively low loss tangent and moderate dielectric constant. Hence, the BMN thin film can be used as the buffer layer between the PZT thin film and the bottom electrode to decrease the loss tangent while keep or increase the tunability.

In this reseach, PZT and BMN precursor solution were prepared by Sol-Gel method and Water-Gel method respectively. PZT/BMN laminated thin films were prepared by Spin Processor on Pt/Ti/SiO₂/Si substrate layer by layer. The crystalline phase, microstructure, and dielectric and ferroelectric properties of thin films were characterized by XRD, FESEM, Impedance Analyzer and Ferroelectric Test System respectively. The BMN thickness dependence of crystalline phase and the properties of dielectricity, tunability and ferroelectricity of PZT thin film were studied.

The results show that, with the increase of the thickness of the BMN buffer layer, loss tangent of PZT/BMN laminated thin films decreases initially but increases afterwards. While dielectric constant and tunability first increases and then decreases. the coercive field and residual polarization gradually increase on the whole. When the thickness of BMN buffer layer is equal to 16 nm, the PZT/BMN laminated thin films possess the best dielectric and tunable properties: dielectric constant, quality factor(FOM) and communication quality factor(K) were the largest, and the loss tangent is the smallest(i.e. ε_r = 749, tanδ = 0.048, FOM = 4.3, K = 29.7). The maximum of tunability is 32.7%(room temperture) when the thickness of BMN is equal to 32 nm. The maximum of residual polarization(P_rmax = 28.4 μC/cm²) and coercive filed(E_cmax = 116.6 kV/mm) are gained when the BMN layer is equal to 64 nm and 48 nm respectively.

Key words: PZT, BMN, Sol-Gel method, Water-Gel method, Tunability

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 介电可调微波介质材料 1

1.1.1 背景介绍 1

1.1.2 铁电微波介质材料 3

1.2 薄膜性能优化 3

1.3 PZT铁电薄膜的制备与应用 5

1.3.1 PZT铁电薄膜概述 5

1.3.2 PZT铁电薄膜的制备方法 5

1.4 BMN介电薄膜的制备与应用 6

1.4.1 BMN介电薄膜概述 6

1.4.2 BMN介电薄膜的制备方法 6

1.5 本论文研究的目的意义及研究内容 6

第2章 实验方法 8

2.1 设备与原料 8

2.1.1 仪器设备 8

2.1.2 实验选用试剂 8

2.2 薄膜的制备 9

2.2.1 前驱体溶液的配制 9

2.2.2 基片准备 10

2.2.3 胶体旋涂及热处理 11

2.2.4 PZT/BMN复合薄膜的制备 12

2.3 结构与性能测试 13

第3章 结果与讨论 14

3.1 PZT/BMN复合薄膜的性能研究 14

3.1.1 PZT/BMN复合薄膜的X射线衍射分析 14

3.1.2 PZT/BMN复合薄膜的场发射扫描电镜分析 14

3.1.3 PZT/BMN复合薄膜的介电性能分析 15

3.1.4 PZT/BMN复合薄膜的介电可调性分析 17

3.1.5 PZT/BMN复合薄膜的铁电性能分析 19

第4章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 26

绪论

介电可调微波介质材料

背景介绍

为了满足现代远程微波通信系统，以及各种小型微波通信电子设备的发展所带来的日益严苛的性能需求，微波介质材料，特别是介电可调微波介质材料，得到了越来越广泛与深入的研究。通信设备发展的一个主要方向就是实现设备的小微化，进而实现通信机器的便携性以及更低的造价。微型化势必要求微波电路及器件的集成化，而传统的金属波导和金属谐振腔的体积量级过大且无法进一步降低，故而成为一个严重的短板。如果采用微波介质材料来构建微波管、微带线以及谐振器的电路元件，就能很轻易地降低器件的尺寸量级，因此，微波介质材料便成为了人们的重点关注对象。

在微波通信系统中，主要关注微波介质材料的以下几个基本性能指标：

材料的介电常数ε。根据电磁波的传播理论，当微波在介质中传播时，波长λ与自由空间中的波长λ₀满足如下关系式

对于可调滤波器和介电谐振器等器件而言，器件尺寸应为半波长的整数倍。因此，当材动料的介电常数ε越大，器件尺寸便可以做得越小。另外，从谐振器的谐振频率出发，谐振频率f₀可表示为^[1]

其中，D为振子直径，c为光速。由此我们也可以知道，对给定谐振器，当所需谐振频率固定时，介电常数ε越大，器件尺寸D越小。不过，需要注意的是，介电常数ε不必一味求大，需要结合具体应用。例如应用于超高频段（EHF）或及超高频段（SEHF）的器件，没有必要做得过小或进一步缩小尺寸已经很困难了，此时就需要具有相对较小的介电常数的材料。

材料的介电损耗tanδ。介电损耗的倒数便是材料的品质因数Q，即

这两个参数与微波通信系统的功率损耗和选频特性密切相关，Q值通常而言越大越好。从器件角度，例如介质谐振器，损耗通常由四部分构成，分别是介质损耗、电导（欧姆）损耗、辐射损耗以及外场耦合损耗^[2]。通过器件设计的优化，后两项通常可以略去。从材料角度，介电损耗包括固有损耗和非固有损耗。固有损耗是由材料内部的能量子与声子的相互作用引起的，是本征属性，通常与频率之间满足如下规律：

其中，ω_T为晶格振动光学支角频率，量级约为10¹²~10¹³ Hz；γ为衰减系数，主要与材料的晶体结构一致性、缺陷、气孔和含杂质的情况有关；C对某种材料为一常数，因此有的时候，相关文献会给出Q·f也即C的值而不是Q的值。而非固有损耗主要是由材料中各种缺陷引起的，对于薄膜材料而言，由于制备时通常会引入各种缺陷，因此非固有损耗是介电损耗的主要贡献者。