六方钙钛矿介质薄膜的结构调制与微波介电特性研究

With the recent progress of microwave interated circuits, the microwave dielectric films are the important trend of the device development.The hexagonal layered perovskite dielectric thin films are new microwave dielectric materials for the potential applications. This research is intended to rely on the crystal modulation and element replacement.And using sol-gel process and RF magnetron sputtering method,the dense and uniform hexagonal perovskite dielectric thin films AnBn-1O3n(A: Ba, La, Nd, B: Ti, Nb, Ta, Zr) are prepared on the different substrates. The crystal structures and microwave dielectric properties of the new hexagonal layered perovskite thin films will be systematically investigated. The relationship among the layered structure, crystal growth, stress state, microwave polarization response and the frequency temperature coefficient of hexagonal perovskite dielectric thin films will be discussed, which can achieve the improvement of the high-frequency dielectric properties. The microscopic polarization response mechanisms of dielectric thin films are revealed through the ionic occupancy, layered structure and chemical bond. Meanwhile, to obtain the microwave loss mechanisms,the conduction and resistivity degradaion and relaxation of dielectric thin films will also be investigated. The physical information on the activation energies and concentrations of defects causing breakdown and degradation can be provided.Experimental basis and theoretical references should be provided for the device design applying the hexagonal perovskite dielectric thin films.

伴随微波集成线路的突飞猛进，微波介质薄膜化是器件发展的重要趋势。六方层状钙钛矿介质薄膜具有潜在应用价值。本申请拟通过晶体结构调制与元素取代，采用溶胶凝胶工艺和射频磁控溅射方法，在不同衬底上得到结构致密、均匀的六方层状钙钛矿AnBn-1O3n薄膜（A：Ba，La，Nd，B：Ti，Nb，Ta，Zr）。系统研究新型六方层状钙钛矿薄膜的晶体结构和微波介电特性。探讨薄膜的层状结构、晶体生长、应力状态与微波极化响应、频率温度系数之间的关联，实现高频介电特性的改善。通过离子占位，晶体结构和化学键揭示薄膜的微观极化响应机制，同时探讨薄膜的传导、电阻退化与弛豫机制，提供促使击穿和电阻退化的缺陷浓度，种类和激活能的物理信息，进而研究微波损耗机制。为六方层状钙钛矿薄膜的器件设计提供实验基础和理论依据。

随着微波通讯技术等高科技领域的迅猛发展，微波器件的小型化、薄层化、高频化和低功耗成为重要的发展方向，微波介质是微波通讯技术的关键性基础之一。本章节以中介、高介微波介质陶瓷为研究对象，采用传统的固相反应法，合成了六方钙钛矿陶瓷，钨青铜结构的钡钕钛陶瓷，系统探讨了晶体结构相变、微波介电性能特征，并借助TSDC、介电温谱研究了陶瓷中的缺陷类型与弛豫特性，对非本征损耗进行了探讨。实验中制备了六方钙钛矿Ba0.6Sr0.4La4Ti4O15，并通过分别加入TiO2，Ba5Nb4O15，CaTiO3，助烧剂等调节其烧结特性和微波介电特性，成功获得了近零的频率温度系数。同时采用TSDC谱分析了BSLT系列陶瓷的微波损耗机制，发现以氧空位为主的空间电荷贡献了非本征损耗。实验中也制备了BaNd1.76Bi0.24Ti5O14微波介质陶瓷，研究了去极化影响与微波损耗之间的关联，发现两种弛豫峰源自于陷阱电荷和氧空位。. MLCC介质薄层在工作时会受到温度场、应力场及电场的作用。外场及多场作用对MLCC介电性能的影响是考察其稳定性及可靠性的主要技术途径之一。以Y5V、X7R型BaTiO3基MLCC为研究对象，分析MLCC电性能与可靠性及其影响因素，分析MLCC器件的疲劳以及探讨氧空位对畴的钉扎。通过介电频谱，温谱分析其介电特性的响应。研究其极化响应、电阻退化与热激励去极化电流(TSDC)之间的相关性。在外加直流偏压电场下，Y5V、X7R型电容器的介电常数下降，同时居里温度(Tc)随外加偏压场的增加向高温方向移动。通过P-E曲线的测量和疲劳测试得到电滞回线， X7R的回线明显展现出“束腰”现象。Y5V、X7R两种电容器的储能密度分别达到了3.7 和2.6 J/cm3，同时储能效率逐渐随外场的增加而降低，储能效率降低的原因被归因于由缺陷造成的漏导。通过热激励电流(TSDC)对缺陷类型进行定性分析，结果表明MLCC的失效主要归因于氧空位等缺陷在晶体内的电迁移。