微波调谐交替掺杂钛酸锶钡薄膜设计及相变机制研究

提高钛酸锶钡(BST)薄膜综合介电性能(适中的介电常数、高的调谐率、低的介电损耗、高的介温稳定性等)是近年来的一个研究热点，也是实现该薄膜微波应用的突破口。BST薄膜介电性能与其铁电-顺电相变密切相关，该相变机制的研究不但对综合介电性能的改善具有指导作用，更是获得优异综合介电性能的关键。目前多以薄膜成分优化、结构设计或工艺改善来提高其综合介电性能，而很少进行相变机制的系统研究。本项目用相图理论选择掺杂元素、用神经网络优化成分及用计算机辅助设计建立交替掺杂BST薄膜结构模型。通过薄膜的实验研究，希望获得明显拓宽的相变温度范围及铁电相和顺电相的复合结构，建立成分、结构、工艺等参数与相变机制之间的关系；通过薄膜的微波应用，检验及优化模型，获得相变机制与优异综合介电性能之间的关系。通过研究，不但揭示BST薄膜相变机制与介电性能之间的内在规律，更为BST薄膜的微波实用化提供理论基础及科学依据。

该项目的背景是通过交替掺杂来研究BST的铁电-顺电相变机制，找到提高BST薄膜的综合介电性能(适中的介电常数、高的调谐率、低的介电损耗、高的介温稳定性等)的条件。为此，本项目通过成分、结构及工艺的组合创新，设计及制备多种交替掺杂的BST薄膜，并通过各参数的优化而获得所需要的薄膜。根据大量有关BST掺杂改性的调研、根据BST是ABO3钙钛矿结构的特点，利用容差因子法则和电中性原理对BST本身的成分和掺杂元素进行研究和选择；在常规溶胶-凝胶法步骤中添加预晶化热处理，并对其进行梯度创新；针对各项介电性能的主要影响参数进行全面系统的研究，建立具有优异综合介电性能的交替掺杂结构薄膜模型；通过大量实验来制备所设计的薄膜。对薄膜进行结构表征、性能测试来建立有关成分、结构及性能的对应关系，找到具有优异综合介电性能的条件。将优异薄膜应用于微波器件进行检验。在获得的诸多重要成果中，Y和Mn交替掺杂并结合逐层梯度预晶化热处理是特别成功的方法，在-40~40V的高偏压或高电场下显示高的绝缘强度、高的稳定性、长的使用寿命，在10V及以内的调谐率可达50%以上，介电损耗小于1%，优质因子50以上，该成果攻克了多年来阻碍BST薄膜微波调谐应用的堡垒，彻底实现并拓展了BST薄膜的微波调谐应用及范围。有关成果发表了40余篇SCI期刊论文，授权了20余项国家发明专利，培养了20余名研究生，同时还有多项更优异的成果将陆续报道。