鈦酸鍶鋇系鐵電薄膜材料特性及其移相器結(jié)構(gòu)性能仿真研究.pdf

1、本文闡述了基于熱力學(xué)理論的Devonshire宏觀唯像理論，分析了它在鐵電體一級、二級相變及彌散相變中的應(yīng)用，給出了鐵電材料的自發(fā)極化、介電常數(shù)的理論計(jì)算方法，并進(jìn)一步采用了Smolenskii的成份起伏理論解釋了實(shí)際鐵電體在居里溫度附近出現(xiàn)彌散相變現(xiàn)象。另外在微觀理論方面，為了解釋ABO3鈣鈦礦鐵電性的起源，采用第一性原理計(jì)算軟件，計(jì)算了Ti位移對Ba1-xSrxTiO3(BST)系材料體系能量的影響及BaTiO3的電子結(jié)構(gòu)。

2、　　基于對鐵電相變理論的研究結(jié)論，本文深入研究了BST系陶瓷的制備工藝及電學(xué)性能。研究結(jié)果表明：Ba1-xSrxTiO3陶瓷的晶格常數(shù)隨Sr含量的增加而減小；Ba1-xPbxSr0.4TiO3(BPST)陶瓷的晶格畸變隨Pb含量的增加而增加。BST系陶瓷的居里溫度點(diǎn)可以通過改變A位替代的Sr、Pb成分來調(diào)制。對于Ba1-x SrxTiO3樣品隨著Sr含量的增加，居里溫度降低。而對于Ba0.6-xPbxSr0.4TiO3陶瓷，隨著Pb含量

3、的增加，居里溫度增加（從-25℃上升到120℃）。對BPST系陶瓷的拉曼光譜測試，發(fā)現(xiàn)TiO6八面體鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BST系陶瓷隨著Pb成份的變化由鐵電四方相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娏⒎较嘟Y(jié)構(gòu)時，290cm-1與720cm-1處的鐵電特征峰幾乎消失。BPST樣品520-550 cm-1處的拉曼峰對應(yīng)的TiO6伸縮模的頻率隨著Pb含量的增加而增加，這也說明TiO6八面體穩(wěn)定性隨著Pb含量的增加而加強(qiáng)。通過采用Smolenskii的成份起伏理論對BST系

4、陶瓷介溫峰進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)摻Pb的BST相對與純的BST固溶體彌散指數(shù)明顯增加，說明了對BST的A位Pb替代加劇了彌散相變。而對Ba2Pb4Sr4TiO3樣品在不同頻率下的介溫測試發(fā)現(xiàn)該材料具有彌散相而沒有馳豫體特性（即居里溫度沒有隨頻率而發(fā)生偏移），說明了彌散相的產(chǎn)生并非來源于內(nèi)部的離子結(jié)構(gòu)，而是因?yàn)槲^(qū)內(nèi)Pb,Sr,Ba的成份不均所致。
　　為了使BST薄膜在室溫附近兼有良好的介電和鐵電性能，根據(jù)Ba0.6Sr0.4TiO3的

5、化學(xué)分子式比例，采用了改進(jìn)的固相反應(yīng)法，制備了BST陶瓷靶材。采用RF磁控濺射法在Pt/Ti/Si02/Si基片上制備了(Ba,Sr)TiO3薄膜，研究了基片溫度、濺射氣壓、O2氣氛、靶基距對薄膜晶體結(jié)構(gòu)及擇優(yōu)取向的影響，分析了形核過程中體形核（相變驅(qū)動力）、表面能、界面能等因素的作用機(jī)制。通過優(yōu)化薄膜的磁控濺射工藝，獲得（110）擇優(yōu)取向的BST薄膜，電滯回線測試表明其具有較高剩余極化強(qiáng)度。當(dāng)電壓為5V，對應(yīng)電場強(qiáng)度為280KV/cm

6、時，BST薄膜的矯頑場(CE?)為33kV/cm，剩余極化(2Pr)為6.2μC/cm2.經(jīng)過1010讀/寫周期疲勞特性測試后，該薄膜的剩余極化幾乎沒有衰減。在7V掃描電壓下，該薄膜的相對介電常數(shù)為161～255，調(diào)諧率約為37％。當(dāng)工作電壓低于5V，漏電流低于10-7A/cm2.該薄膜具有優(yōu)良的介電調(diào)諧特性。
　　最后，本文研究了介電常數(shù)可調(diào)的BST薄膜在移相器中的應(yīng)用。根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)場法和全波分析法得出了共面波導(dǎo)型薄膜移相器（CP