[发明专利]一种纳米晶BST薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及纳米晶钛酸锶钡(BST)薄膜的制备方法。

背景技术

移相器作为一种核心微波器件，一直成为竞相研发的焦点。移相速度快、移相精度高、 插入损耗低、功率容量大、体积小、重量轻、成本低、可靠性高的移相器成为追求的目标， 要求其向“小型化、轻量化、功能化、综合化”方向发展，具有高的调谐率、低的损耗、高 的稳定性等综合介电调谐性能。铁氧体移相器响应速度慢、尺寸大、质量重、成本高，半导 体二极管移相器容量小、高频插入损耗高，均越来越难以满足要求。BST薄膜移相器，可以 弥补二者的不足，还具有调谐率高、开关速度快、驱动电压低等优点，优先成为可替代二者 的候选移相器。

要实现BST薄膜移相器对铁氧体移相器和半导体二极管移相器的真正取代，必须克服 BST的固有局限。BST是典型的ABO₃钙钛矿结构，铁电相时介电调谐率和介电损耗均较高， 顺电相时两者均较低，表征综合介电调谐性能的K因子即介电调谐率与介电损耗之比值很难 提高，以至于近十五年来人们致力于成分优化、结构改进、工艺改善等研究，虽然个别性能 指标有所突破，但综合介电调谐性能仍难以突破，所达到的指标大致为，介电调谐率 20％～50％，介电损耗0.03～0.1，K因子2～15，很难满足应用需要。

另一方面，要实现BST薄膜移相器对铁氧体移相器和半导体二极管移相器的真正取代， 还必须克服常规薄膜制备方法的局限性。常规薄膜制备方法有射频磁控溅射、脉冲激光沉积、 金属有机化学气相沉积及溶胶-凝胶方法等。其中，前三者设备均比较昂贵，而且射频磁控溅 射的沉积速率慢、薄膜和靶材的成分相差悬殊，脉冲激光沉积薄膜均匀性差，金属有机化学 气相沉积金属有机源难找且昂贵。溶胶-凝胶方法廉价方便，但制备的薄膜裂纹严重、致密性 差、缩孔多等。针对这些局限性，有诸多局部改进的报道，但能大幅度提高BST薄膜综合介 电调谐性能的文献报道难找。

发明内容

本发明对常规溶胶-凝胶方法制备BST薄膜的工艺进行改进，提出了一种制备纳米晶钛酸 锶钡(BST)薄膜的新方法。该方法对常规溶胶-凝胶方法制备BST薄膜的“匀胶、干燥、热 解、冷却、晶化”步骤进行改进，在“冷却”和“晶化”步骤之间添加“预晶化”步骤，所 制备的纳米晶BST薄膜光滑致密，有效克服了常规溶胶-凝胶方法制备的BST薄膜因在晶化过 程中分解和挥发大量的有机物而使薄膜产生缩孔、应力和裂纹的局限性，显著改善了BST薄 膜与基体之间的界面匹配关系，实现了BST薄膜在大气环境中的类外延生长；该方法也克服 了BST薄膜的固有局限性，不但发挥纳米晶的量子非线性效应，而且发挥薄膜的综合效应， 特别是发挥大量纳米晶界的“钉扎效应”，显著地抑止极化反转造成的高损耗等缺陷。因而， 该方法突破了常规溶胶-凝胶方法及BST薄膜的固有局限性，使其综合介电调谐性能显著提 高，为实现BST薄膜移相器真正取代铁氧体移相器和半导体二极管移相器提供了可能。

本发明技术方案如下：

一种纳米晶BST薄膜的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：制备BST溶胶，具体包括以下步骤：

步骤1-1：将摩尔比为Ba∶Sr＝x∶(1-x)的可溶于冰醋酸的无机钡盐和无机锶盐溶于冰醋酸 中，于60～80℃温度条件下搅拌60～120分钟形成钡锶前驱液，其中0＜x＜1。

步骤1-2：将摩尔比为1∶2的钛酸丁酯与乙酰丙酮混合加热并搅拌60～120分钟形成钛前驱 液。

步骤1-3：将步骤1-1所得的钡锶前驱液和步骤1-2所得的钛前驱液混合，其中钡锶前驱液 中Ba和Sr的摩尔量之和与钛前驱液中Ti摩尔量的比为1∶1～1.2；然后在混合前驱液中滴加相当 于Ti摩尔量0.5％～1％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，调节混合前驱液PH值在3～4之间；再在60～80℃ 温度条件下搅拌60～120分钟；最后用乙二醇甲醚定容得到0.2～0.4摩尔/升稳定的BST溶胶。

步骤2：制备单层纳米晶BST薄膜，具体包括以下步骤：

步骤2-1：采用步骤1所得的BST溶胶和匀胶设备，经涂胶、匀胶后在衬垫基片上形成单 层BST湿膜。

步骤2-2：BST湿膜经干燥、热解后除去BST湿膜中的水分和大部分有机物。