透明介质调谐器件的设计与关键技术研究

This project intends to research on the preparation of transparent dielectric tunable devices. Firstly, BMN thin films were chosen as the dielectric tunable material to study the optical properties and dielectric mechanism. The intrinsic and extrinsic factors of optical transmission of BMN films were investigated. The tuning and loss mechanisms of BMN thin films were established according to the dipole transition model and the theory of chemical bond. The effects of ion doping and sputtering process on the optical and dielectric properties of BMN films were studied. High optical transmittance, high tunability and low dielectric loss of transparent BMN dielectric films are expected to be prepared. Subsequently, the WTO and WTO/Ag composite thin films were chosen as the bottom and top electrodes, respectively. The effects of the photon scattering and electronic transport mechanism on the photoelectric properties of electrode were investigated. The electrodes with high optical transmittance and low resistivity were obtained. Finally, the structure of the device was designed by HFSS electromagnetic simulation software. BMN dielectric tunable device with excellent optical and dielectric tunable characteristics was fabricated by microfabrication technology. The new device is a potential candidate for the application of transparent communication circuit, which has great scientific significance and application prospect.

本项目拟开展透明介质调谐器件的制备研究。首先，选用BMN薄膜作为器件的介质调谐材料，研究BMN的光学特性和介电机理，探究光学透过性的本征与非本征影响因素，根据偶极子跃迁模型和化学键理论建立薄膜调谐和损耗机制；研究离子掺杂和溅射工艺对BMN薄膜光学和介电性能的影响，制备出高光学透过率、高调谐率和低介电损耗的透明BMN介质薄膜。其次，分别采用WTO和WTO/Ag复合结构的透明导电薄膜作为器件的底电极和顶电极，探索光子散射及电子输运机制对电极薄膜光电特性的影响，制备出高光学透过率和低电阻率的透明电极。最后，利用HFSS电磁仿真软件对器件的结构进行设计，研究器件的微细加工工艺，开发出兼具光学透明和介电调谐特性的透明BMN介质调谐器件。该新型器件未来有望应用于透明通讯领域，具有较大的科学研究意义和应用前景。

透明介质调谐器件具有优良的光学特性和介电调谐性能，可作为透明通讯电路的关键元件实现对信号频率、相位或幅度的调控，有望应用于透明移动通讯、卫星系统、雷达系统等民用和军用领域。因此，研究和开发高性能透明介质调谐器件具有重要的科学意义和应用价值。本项目以Bi1.5MgNb1.5O7（BMN）为介质调谐薄膜，WO3掺杂SnO2（WTO）和Sb2O3掺杂SnO2（ATO）/Ag为透明电极构建透明介质调谐器件，主要研究内容包括：透明BMN介质薄膜光学特性、介电调谐性能及工艺方法研究；透明电极薄膜光电性能及合成工艺研究；透明BMN介质调谐器件结构设计及制备技术研究。.取得的主要研究成果为：（1）结合化学键理论和偶极子跃迁模型探索透明BMN介质薄膜微观结构与介电调谐性能之间的联系，确定最佳溅射功率（250 W）和退火条件（750 ℃，0.02 Mpa O2）；（2）探明衬底温度以及取向生长对WTO透明电极光学和电学性能的影响，确定最佳衬底温度为600 ℃；（3）结合Ag层生长过程及载流子散射理论，制备出具有优良光电性能的透明顶电极（光学透过率≥80%，电阻率≤3×10-5 Ω·cm）；（4）优化透明电极WTO、ATO/Ag以及BMN介质薄膜的微细加工工艺，解决了BMN介质薄膜刻蚀易生成难溶物的问题，制备透明BMN介质调谐器件（光学透过率≥80%，介电损耗≤0.005，击穿电场≥0.8 MV/cm，FOM值≥55）。.本项目研究意义在于探明本征、非本征因素对介质薄膜光学特性及介电调谐性能的影响机理，明确制备工艺对透明电极光学透光率和电导率的影响机制，解决透明介质调谐器件微细加工工艺的关键问题，制备出兼具高光学透过率与优良介电调谐性能的透明介质调谐器件。本项目利用电介质理论进行透明介质调谐器件的应用基础研究，是在光学和电子学方面的积极探索，具有重要的科学和应用价值。.基于项目研究成果在工程技术TOP期刊发表SCI论文26篇，申请国家发明专利10项，目前已授权3项；参加国际学术会议2次，受邀国际国内学术会议特邀报告5次；培养博士生10名，硕士生15名。项目研究成果作为《集成化介质元器件以及高性能新型介质材料》的重要支撑内容，获得中国电子学会技术发明二等奖。