K掺杂PST薄膜的制备与介电调谐性能

JofChinaThreeGorgesUniv.(NaturalSciences)Vol.31No.4Aug.2009

K掺杂PST薄膜的制备与介电调谐性能

邹　隽　孙小华　徐晓飞　王　强

(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌　443002)

摘要:采用Sol2Gel法在Pt/TiO2/SiO2/Si基底上制备了多种不同组分的(Pb0.3Sr0.7)1-xKxTiO3

(PST)(x=0,1mol%,2.5mol%,5mol%)多层均匀薄膜,并研究了它们的介电调谐性能.发现掺杂后薄膜的晶型未改变,介电常数降低及介电损耗减小.1MHz时,随K含量的从0增加至5mol%,薄膜的介电常数从841降低至539,而介电损耗由0.134减小到0.058,其微波介电综合性能改善.

关键词:钛酸锶铅;　K掺杂;　薄膜;　Sol2Gel;　介电调谐中图分类号:O484.42　　　文献标识码:A　　　文章编号:16722948X(2009)0420076204

PreparationandDielectricTunabilityofKDopedPSTFerroelectricFilm

ZouJun　SunXiaohua　XuXiaofei　WangQiang

(CollegeofMechanical&MaterialEngineering,ChinaThreeGorgesUniv.,Yichang443002,China)Abstract　(Pb0.3Sr0.7)1-xKxTiO3(PST)(x=0,1mol%,2.5mol%,5mol%)uniformfilmofKdopingonPtTi/SiO2/SisubstrateswerepreparedbyaSol2Gelprocess;andtheirdielectrictunabilitywereinvestigated.TheresultsshowthatthesizeofcrystalareobviouslydiminishedwhenKwasdopedintoPSTfilm;andthe

δ)offilmdecreaseswiththedielectricconstantdecreasedfromdielectricconstantandthedielectricloss(tan

δ)offilmdecreasedfrom0.135to0.058at1MHzwhenKconcentra2839to523;andthedielectricloss(tan

tionincreasesfrom0to5mol%.MicrowavedielectriccomprehensiveperformanceofPSTfilmisimproved.Keywords　leadstrontiumtitanate;　Kdoping;　film;　sol2gel;　dielectrictunability

　　钛酸锶铅(PST)铁电陶瓷与传统的BST铁电陶瓷相比,具有较高可调性和相当低的介电损耗,在微波电可调元器件领域有着广阔的应用前景,如电可调滤波器、谐振器和移相器等[1-2].其薄膜型材料由于制备技术可与半导体集成电路技术相兼容,使得开发研究集半导体大规模集成电路与铁电薄膜的铁电、压电、热释电、电光、非线形光学等诸多功能于一体的多功能电路、器件和系统成为可能,应用前景非常可观,其制备研究己经得到了相当的重视,但薄膜的性能还远未达到期望值.为改善薄膜的性能,掺杂是目前材料改性研究非常有效的手段之一[325],通过掺杂可以实现材料内电荷平衡、缺陷控制和晶粒尺寸调整等,优化材料性能.

选用K+为掺杂剂对PST体系进行改性研究,应

用溶胶凝胶浸渍镀膜技术,改变K掺杂量,采用快速热处理方法制备了K掺杂的PST多层薄膜.研究掺杂改性对薄膜结晶规律、结晶状态、表面形貌的影响及其与薄膜性能之间的关系,探索进一步提高PST薄膜介电性能的途径,并探讨K+作为受主掺杂离子对于钙钛矿薄膜微结构及介电性能的影响机制.

1　实　验

1.1　前驱备

采用化学纯钛酸丁脂Ti(C4H9O)4、蒸馏水、分析纯醋酸铅Pb(CH3COO)2・3H2O和分析纯醋酸锶

收稿日期:2009204225

通讯作者:邹　隽(1974-),男,讲师,硕士,主要研究方向为微波介电调谐器件材料、光催化材料制备.

第31卷　第4期　　　　　　　　　　　　　邹　隽等　K掺杂PST薄膜的制备与介电调谐性能77

Sr(CH3COO)3・1/2H2O为原料,化学纯乙二醇甲

醚(CH3OCH2CH2CH2OH)和分析纯冰乙酸(CH3COOH)为溶剂,醋酸钾为掺杂剂,按照公式(Pb0.3Sr0.7)1-xKxTiO3配方,其中x=0,1mol%,2.5mol%和5mol%,配制溶胶前驱液.

首先,按照所需配制组分的比例称取粉末状纯醋酸铅Pb(CH3COO)2・3H2O和分析纯醋酸锶Sr(CH3COO)3・1/2H2O,溶于冰乙酸和水中,在加热至75℃的情况下持续搅拌10min;然后加入Ti(C4H9O)4和乙二醇甲醚混合液,最后缓慢滴入醋酸钾,置于磁力搅拌器上搅拌1h形成均匀、稳定、透明的棕黄色PST前驱体溶液.过滤后置于棕色试剂瓶中保存.

由于Pb具有挥发性,计算时按1%过量,以弥补加热过程中因挥发造成的Pb损失.配制好的溶液使用前需放置7d以上待用.1.2　薄膜制备在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上匀胶,匀胶速率为低速下1000r/min,时间3s;高速下3000r/min,时间为30s.制得的湿膜在100℃下烘干1min,然后在管式炉中空气环境下400℃预退火10min,以去除薄膜中残留的有机质,最后在快速退火炉中氧气环境下750℃退火使薄膜结晶,获得晶化的K掺杂PST薄膜

图1　掺杂不同K含量的PST经750℃

煅烧的粉末的XRD谱

2.2　PST薄膜的介电性质K掺杂PST薄膜的室温介电常数和介电损耗随频率变化关系如图3～4所示.

样品.

1.3　PST薄膜的表征和介电性能测试

用X射线衍射仪(BSX3200)对PST样品进行分

α辐射,以5°析,采用CuK/min的速度扫描,步距为0.02°,测定薄膜的物相.用Agilent4294A高精密阻

抗分析仪测试薄膜的介电性能,实验中测量C2f,

δδtan2f,C2V,tan2V等曲线.

2　结果与讨论

2.1　共掺杂PST薄膜的微观结构

XRD(X射线衍射)利用X射线在晶体中的衍射

信号去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数.图1为未掺杂的和掺杂不同含量钾的钛酸锶铅(钾的含量分别为0,1mol%,2.5mol%,5mol%)粉体在750℃煅烧后的XRD图谱.

(110)和(200)峰从图1可以看出,明显的(100)、

则表明薄膜是钙钛矿结构.除了钙钛矿的衍射峰外,没有其它杂峰出现,说明PST是单一的钙钛矿相结

由图3～4可知,在100Hz～1MHz频率范围内,没有掺杂K时的介电损耗先是急速下降然后一直缓慢上升;K掺杂后的样品随频率的增加介电常数变化平缓,在整个区间的介电常数均较未掺杂时有明显下降;而介电损耗随K含量的增加而呈减小趋势.可见,掺杂K可以降低其介电常数,同时减小损耗,改善材料性能.这主要是因为K+作为受主杂质引入后,取代A位原子,其离子半径较大,引起极化降低,导致介电常数降低.

为了表明K含量与介电常数及介电损耗的关系,给出了室温下1MHz介电常数和介电损耗与K

构,没有第二相出现,表明K的掺杂未改变PST的晶相结构.K+以取代的方式存在于钙钛矿的晶格中,形成均匀的固溶体.

78三峡大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　2009年8月

含量的关系图,如图5所示.随着K掺杂量的增加,PST薄膜的介电常数由未掺杂时的841下降到K掺

杂5%时的539;且介电常数的变化随偏压呈非线性.

其介电损耗峰值也随K含量的增加而从未掺杂时的0.134减小至掺杂5mol%时的0.058,较未掺杂前性能有较大改善,与前人的研究结果相比有一定程度的提高[728].

图7　K掺杂PST薄膜的介电损耗与频率

随外加偏压的变化谱由图6～7可以看出,在介电常数减小及介电损耗降低的同时,其薄膜可调性有一定程度的下降,但评价其总体性能的优值因子(FOM)有一定程度的提高,性能有所改善.

与图3、图4对比可知,在加偏压下的介电损耗与介频谱中的介电损耗是有所差异的,这种差异的来源主要是外加变化偏压对PST薄膜的极化附加了一部分的损耗.薄膜由于成分波动和偏析的原因,即使是整个材料处于非铁电状态,薄膜中仍有少许铁电相的存在.在外加偏压时这些铁电相的极化反转必然会增加其损耗,这样就往往会使得在测试C2V曲线时获得的介电损耗会比测试介频谱时获得的介电损耗要略大.

图5　1MHz时K掺杂PST薄膜的介电常数和损耗与K含量的关系由图5可知,随着K含量的加入,介电常数呈明显下降的趋势,这主要是由于K加入后,富集于晶界,具有阻碍晶粒长大的作用,使PST薄膜中的晶粒减小.另外,介电损耗也随K含量的增加而明显下降,介电损耗减小的原因可能与受主掺杂、居里温度降低、表面粗糙度减小有关.一方面,K+替代(Pb0.3Sr0.7)+后充当受主,中和了氧空位的施主行为,减少

电子在不同价位的钛离子间跳动而降低损耗.另一方面,对于众多的铁电材料,其居里温度降低时,介温谱上的损耗峰也向低温移动,室温介电损耗往往表现为降低.

PST薄膜在调谐器件上的潜在应用能力也在于

3　结　语

利用溶胶凝胶法成功制备了(Pb0.3Sr0.7)1-x

KxTiO3薄膜,K的掺杂没有改变PST的晶相结构,薄膜以立方钙钛矿为晶相,晶相以颗粒团聚态结构存在于薄膜中.样品在100Hz～1MHz的频率范围内掺杂K可以明显降低其介电常数,同时其介电损耗也有一定程度降低;1MHz时,随K含量的从0增加至5mol%,薄膜的介电常数从841降低至539,而介电损耗由0.134减小到0.058,其微波应用综合性能改善.在加偏压下时,由于外加变化偏压对PST薄膜的极化附加了一部分的损耗,使得在测试C2V曲线时获得的介电损耗会比测试介频谱时获得的介电损耗略大.参考文献:

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其介电常数随外加偏压的增加而减小的能力.图6和图7显示了不同x值(x=0,1mol%,2.5mol%,5

mol%)的PST薄膜的介电常数和损耗随外加偏压的变化谱.

图6　K掺杂PST薄膜的介电常数与频率

随外加偏压的变化谱

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[责任编辑　周文凯]

(上接第71页)

　　由于高压锅炉给水泵结构紧凑和空间结构的,普通过流部件优化设计方法很难得到合理的解析.应用CFD流场可视化技术,可以在有限的空间范围内提高各部分过流部件的整体水力性能,提高高压锅炉给水泵的经济性和可靠性.参考文献:

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[责任编辑　张　莉]