锰酸锶镧的掺杂改性及负介电性能研究

With the development of information technology towards miniaturization and high integration, it is urgent to develop new components for integrated circuit with higher capacitance, smaller feature size and and low power consumption, such as positive/negative dielectric laminated high-k capacitor, negative-capacitor transistor (NC-FET), and non-winding inductance, etc. All of which require smaller absolute value of negative permittivity (εr΄<0) and low dielectric loss (εr΄΄/εr΄). Currently, pursing epsilon-negative (ENG) materials with simulataneous weak negative permittivitty (|εr΄|≤10^2) and low loss in conventional materials is still a limit for practical application. Here this project proposes to demonstrate the negative permitivitty and mechanism in lanthanum strontium manganese (LSMO) by synergistic regulation of carrier concentration and mobility, through tuning the chemical composition and microstructure, establish the relationship between negative permittivity and plasma oscillation, oscillation frequency and the correlation of doping component and microstructure, and realize tunable negative permittivity in LSMO, realizing the the control of epsilon-negative (ENG) properties at rf/microwave frequency range, developed a new type of ENG materials. The research results o will provide new research ideas and methods for developing new ENG materials, and contribute to enriching the connotation of ENG materials and promoting their significant applications in semiconductor devices and electromagnetic stealth.

随着信息技术发展不断追求小型化、大集成化，迫切需要开发大容量、小尺寸及低功耗的新型电容、电感及晶体管等芯片集成的元器件，如正/负介电叠层高k电容、负电容晶体管及无绕线电感等，均要求介电常数实部的负值绝对值和虚部值更小。一直以来，在常规材料中实现低损耗的弱负介电行为（|εr΄|≤10^2量级）仍然是限制负介电材料实际应用中亟待解决的关键科学问题。针对以上问题，本项目拟以钙钛矿锰酸锶镧为研究对象，提出通过调控材料的化学成分和微观组织来协同调控载流子浓度及迁移率，从而实现负介电特性的调控，研究等离体子振荡与负介电常数的关系、振荡频率与掺杂组分和微观结构的相关性，揭示锰酸锶镧基材料的负介电机制，实现其在射频/微波段负介电性质的调控，研制出新型半导体负介材料。本项目的研究成果将为开发新型负介电材料提供新的研究思路和方法，对丰富负介电材料内涵和推动其在半导体器件及电磁隐身等领域的重大应用做出贡献。

随着信息技术发展不断追求小型化、大集成化，迫切需要开发大容量、小尺寸及低功耗的新型电容、电感及晶体管等芯片集成的元器件，如正/负介电叠层高k电容、负电容晶体管及无绕线电感等，均要求介电常数实部的负值绝对值和虚部值更小。一直以来，在常规材料中实现低损耗的弱负介电行为（|εr΄|≤102量级）仍然是限制负介电材料实际应用中亟待解决的关键科学问题。本项目围绕该问题开展了系列研究，成功制备了不同Sr含量及B位元素掺杂的锰酸锶镧负介电材料。通过利用Sr、Co等元素掺杂，协同优化了载流子浓度与迁移率，当Sr的摩尔浓度为50%时得到绝对值最小的负介电常数为-400@10 MHz，已达到弱负介电行为（|εr΄|≤102）量级。项目研究成果揭示了锰酸锶镧基材料的负介电机制，实现了其在射频波段负介电性质的调控。在介电调控方面，负介电行为与电子浓度即金属性关系密切，当Sr的摩尔浓度小于20%时表现为绝缘反铁磁性，介电常数为正值；当Sr的摩尔浓度大于20%时表现为金属铁磁性，由于金属性等离体振荡介电常数为负。上述研究结果对于开发新型负介电材料提供新的研究思路和方法，对丰富负介电材料内涵和推动其在半导体器件及电磁隐身等领域的重大应用做出贡献。在此基础上，借鉴了负介电性能的设计思路，探索性开展了石墨烯微结构有序化相关研究，石墨烯片层有序化堆叠形成的宏观二维膜材料具有强负介电行为，可作为电磁波的反射体实现良好的电磁屏蔽效果，对负介电材料设计与负值调控具有重要的实际应用价值。