硅基纳米晶微波介质陶瓷薄膜的取向生长制备及其性能研究

The dielectric film/silicon integrated structure is an important method to realize the multifunction, miniaturization and integration of the electronic devices. The dielectric properties of the nanocrystalline microwave dielectric ceramic thin films were affected by the grain orientation significantly. In this project, we will apply Sol-Gel method to fabricate the (Ba0.3Sr0.7)(Zn1/3Nb2/3)O3 (BSZN) nanocrystalline thin films, the orientation growth characteristics of the thin films will be discussed in depth, and the relationship between their crystal orientations, ordered superstructures and dielectric properties will be clarified. The key control factors for the orientation growth of grains will be studied in detail. The corresponding dielectric response and the ordered superstructures will be studied with different grain orientations. The lattice vibration spectroscopy of the oriented thin films will be analyzed in detail. The intrinsic dielectric properties of the oriented BSZN thin films with the ideal crystalline state will be calculated by the first principle theory. At last, with the combination of theory and experiment, the correlation between the microstructures and the dielectric properties of the nanocrystalline films with different orientations will be clarified with lattice vibrational modes as the media. The implementation of this project effectively promotes the development of the dielectric film/silicon integrated devices.

介质薄膜/硅集成是实现电子器件多功能、小型化、集成化的重要途径；纳米晶微波介电陶瓷薄膜中晶粒的取向对晶体的微结构具有较大影响，并最终影响薄膜的介电常数和损耗等性能。本项目拟以(Ba0.3Sr0.7)(Zn1/3Nb2/3)O3 (BSZN)微波介质陶瓷材料为研究对象，采用Sol-Gel法制备纳米晶薄膜，深入探讨BSZN纳米晶薄膜的取向生长特性，分析其晶粒取向、有序结构与介电性能的关系。研究控制晶粒取向生长的关键因素及不同晶粒取向时的介电响应和有序结构；分析BSZN薄膜的晶格振动光谱，利用第一性原理计算理想结晶状态时薄膜的本征介电性能。理论结合实验，以晶格振动模式为媒介阐明不同取向的BSZN纳米晶薄膜微结构与介电性能的关联性。本项目的实施可有效促进介质/半导体集成器件的发展。

集成电子薄膜是单片、微型化器件的材料基础。本项目针对纳米晶微波介质陶瓷薄膜溶胶-凝胶制备工艺、取向可控生长及介电性能开展研究，研究掌握了控制晶粒取向生长的关键因素及取向薄膜的介电响应和有序结构。对介质薄膜晶格振动光谱进行了表征分析，利用第一性原理计算理想结晶状态时薄膜的本征介电性能。理论结合实验，以晶格振动模式为媒介阐明了纳米晶薄膜微结构与介电性能的关联性。主要研究结果如下：.（1）对溶胶-凝胶法制备纳米晶微波介质陶瓷薄膜的工艺进行了探索，确立了溶胶制备过程中的关键参数。采用金属无机盐与氧化物为原料代替金属醇盐配制BSZN溶胶，通过溶胶浓度控制、成膜助剂添加及干燥制度的引入优化了溶胶-凝胶工艺，制备出了高质量的BSZN薄膜。.（2）对BSZN薄膜晶体结构的研究显示，随着退火温度的升高，BSZN薄膜的择优取向发生转变，由(110)取向变为(101)取向。取向的转变受自由能最小化原则影响，(110)取向对薄膜介电性能的提高具有积极的作用。.（3）利用改进的溶胶-凝胶工艺成功的制备出了具有高(110)取向的BSZN薄膜。对取向生长机理进行了分析，提出了自组装与自模板共同作用的薄膜取向生长模型，建立了薄膜制备过程-取向/性能-热应力之间的关系。.（4）介电性质与晶格振动的关系为：对于一个振动模，较大的介电常数贡献Δε往往伴随着较大的损耗贡献Δtanδ，大质量阳离子（Ba/Sr）的振动及氧八面体BO6 (B = Zn或Nb)的振动是决定体系微波介电性能的关键因素。.本项目对新型信息功能材料及元器件领域将产生积极影响，对深入认识硅基纳米晶微波介电薄膜的取向生长特性具有重要的科学意义，为设计新型的介电薄膜/硅基微波集成器件打下坚实的理论和实验基础，具有广阔的应用前景。