[发明专利]一种钛酸锶钡薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛酸锶钡薄膜及其制备方法和应用，属于铁电材料技术领域。

背景技术

近年来，钛酸锶钡（BST）薄膜由于具有高的介电常数、较低的介电损耗，以及高的介电调谐性，且其居里温度T_c可依据钡锶比连续可调等优异特性，可用于铁电薄膜移相器。铁电薄膜移相器响应速度快、成本低、重量轻、功耗和体积小，在相控阵雷达应用中具有非常大的优势。

但是，BST薄膜存在介电调谐率和介电损耗难以兼顾的问题。BST薄膜在铁电相(T_c以下)时介电调谐率较大，介电损耗较大；在顺电相(T_c以上)时介电调谐率较小，介电损耗也较小，从而制约了BST薄膜在介电调谐器件方面的应用。因此，近年来，世界各国科学家对BST薄膜进行了掺杂改性研究，以期改善BST薄膜的电学性能。通过A位或B位掺杂，可以优化BST薄膜的电性能，但是介电损耗普遍较高，优值因子偏低，而且国内外对二元共掺杂BST薄膜的研究较少，尤其是（La、Mn）共掺杂至今未见报道。目前报道的掺杂改性的BST薄膜的制备方法有溶胶-凝胶法（sol-gel法）、脉冲激光沉积法（PLD法），而采用磁控溅射法却很少见，因为薄膜成分与靶材有一定偏差，难于精确控制薄膜成分。但是采用sol-gel法制得的薄膜致密性较差，有气孔，易出现龟裂现象，薄膜结构和生长速率对基片和电极具有选择性，且薄膜均匀性差，难以制得高质量大面积薄膜。另外，采用PLD法制得的薄膜也存在均匀性差、难以制得高质量大面积薄膜的缺陷问题。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明旨在提供一种综合介电性能优异的钛酸锶钡薄膜及其一种操作简单、可获得大面积、均匀薄膜的制备方法和该薄膜的一种应用。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钛酸锶钡薄膜，是由镧（La）对钛酸锶钡（BST）A位及锰（Mn）对钛酸锶钡（BST）B位共掺杂得到的薄膜。

作为优选方案，镧（La）的掺杂量为其中钛（Ti）的摩尔数的0.2～0.6mol%，锰（Mn）的掺杂量为其中钛（Ti）的摩尔数的0.5～1.0mol%。

作为进一步优选方案，所述薄膜具有如下组成配方：

Ba_0.6Sr_0.4TiO₃+0.6mol%La+0.5mol%Mn或Ba_0.6Sr_0.4TiO₃+0.6mol%La+1.0mol%Mn，其中的摩尔百分比的计量基准为钛（Ti）的摩尔数。

一种制备本发明所述的钛酸锶钡薄膜的方法，包括如下步骤：

a)制备La、Mn共掺杂的BST陶瓷溅射靶材；

b)利用步骤a)得到的La、Mn共掺杂的BST陶瓷溅射靶材在硅衬底基片上制备镍酸镧底电极；

c)利用步骤b)得到的镍酸镧底电极、采用射频磁控溅射法沉积所述的钛酸锶钡薄膜。

作为优选方案，步骤a)包括如下操作：按La、Mn共掺杂的BST陶瓷组成进行配料，进行球磨使充分混匀；加入粘结剂，进行成型，然后依次在800～900℃和1250～1400℃下进行排塑和烧结，再进行机械加工、清洗，即得到La、Mn共掺杂的BST陶瓷溅射靶材。

作为进一步优选方案，配料原料为BaCO₃、SrCO₃、TiO₂、La₂O₃和MnCO₃粉体。

作为更进一步优选方案，配料时，使BaO过量20mol%，使SrO同时过量10mol%。

作为进一步优选方案，所述粘结剂为5～7wt%的聚乙烯醇水溶液，其用量为粉体总质量的5～7%。

作为优选方案，步骤b)包括如下操作：将清洗后的硅衬底基片放入磁控溅射仪中，在10^-4～10^-5Pa的真空度下加热至400～500℃，通入体积比为1:9～3:7的氧气与氩气的混合气体，当气压达到2.0～3.0Pa后，采用直流溅射法沉积镍酸镧（LNO）薄膜，溅射功率为80～90W，溅射时间为10～30分钟，得到镍酸镧/二氧化硅/硅（LNO/SiO₂/Si）的复合薄膜，最后对LNO/SiO₂/Si的复合薄膜在600～800℃下进行快速（升降温速率均为5～15℃/秒）退火，得到镍酸镧底电极。