专利名称：一种微波可调器件用复合型铁电薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的微波可调器件用铁电薄膜及其制备方法。
背景技术：
铁电薄膜具有铁电性、高介电性、压电性、热释电性、电光效应、声光效应、热 光效应、光折变效应、非线性光学效应等优异的性能，因而可以利用这些性质中的一 种，也可以通过交叉耦合综合利用两种或两种以上的性质制作功能器件，还可以与其 他材料的功能效应结合制作功能器件。尤为突出的是，铁电薄膜用于微波可调谐器件 (如用于相控阵雷达的微波移相器)所需的低电压以及制作的低成本使得薄膜的研究 成为当前的一个热点。铁电薄膜的研究主要集中在BaTi03(BT)、 (Ba，Sr)Ti03(BST)、 Pb(Zr，Ti)03(PZT)、 (Pb，La) Ti03(PLT)、 (Pb，La) (Zr,Ti)03(PLZT)、 Ba(Zr,Ti)03(BZT) 等上。其中，BST薄膜由于拥有高介电常数，低介电损耗，很小的漏电流等良好的介 电性质，成为人们研究的重点。但是，BST薄膜在微波频率下具有较大的介电损耗， 这就限制了BST薄膜在微波器件方面的应用。目前为止，已经有大量的研究者通过复 合、掺杂改性等方式来改善钛酸钡基铁电薄膜的综合性能，以满足微波可调谐器件的 应用要求。
Mg2Ti04具有尖晶石结构，属于立方晶系，是一种性能优良的传统低介电常数微 波材料。对于BST与Mg2Ti04， MgSi04等复相陶瓷材料，Xiujian Chou, Ying Chen等已 做了相关的研究报道，这类材料在具有较低介电常数的同时保持了较高的介电调谐率 和低的介电损耗，能够很好地满足微波调谐器件的要求。与陶瓷块体材料相比，薄膜 材料具有驱动电压低、适用于高度集成化的电路的特点。然而，到目前为止，关于这
种复合结构薄膜(同时保持较低介电常数、高介电调谐率和低介电损耗)的研究尚未 见报道。
目前研究和使用较多的复合薄膜的制备技术主要有溅射法、激光闪蒸法(PLD) 及溶胶凝胶法。溅射法和激光闪蒸法所需设备昂贵，难以大面积成膜。溶胶一凝胶以 其化学计量比控制准确、成膜面积大且均匀、设备简单等优势而为人们所采用。然而， 到目前为止关于采用溶胶凝胶法制备微波介质材料与钛酸锶钡的复合型铁电薄膜的内容还鲜有报道。
发明内容
本发明是为了克服现有技术的不足，提供一种具有较低的介电常数，良好的介电 可调性，介电损耗低，可以应用于微波可调器件中的复合型铁电薄膜。 为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现
一种微波可调器件用复合型铁电薄膜，其特征在于，按照摩尔百分比由30% 40 %的Mg2TiCU和70X 60XBao-x)SrxTio.85Mg(U503 (xi.40 0.60)的组成。
本发明的另一目的是提供一种制备微波可调器件用复合型铁电薄膜的方法，其特 征在，包括以下步骤-
A、按照Bad.x)SrxTio.8sMg(H503 (x=0.40 0.60)的化学配比，先将醋酸钡、醋酸锶、 硝酸镁在冰醋酸和水的混合溶液中加热至沸腾，待冷却至室温时，再加入钛酸四正丁
酯和乙酰丙酮的混合溶液，形成Ba(wSrJio.85Mg(U503溶液；
B、 按照Mg2Ti04的化学配将硝酸镁的乙二醇乙醚溶液与钛酸四正丁酯的乙酰丙酮
溶液混合，形成Mg2Ti04溶液；将步骤A获得的溶液与Mg2Ti04溶液混合，并用冰醋
酸和一定量水调整溶液的摩尔浓度至0.10 0.20M，放置24小时后形成前驱体溶胶用 来制备薄膜；
C、 将步骤B获得的前驱体溶胶通过旋转涂覆的方法在Pt(l 1 1)/Ti/Si02/Si(l 0 0) 基底上制成凝胶膜，旋转速度为2900 3100转/分，时间为10 30秒；
D、 涂覆好的凝胶膜直接在500 。C 600 。C的环境下处理5 10分钟，取出后冷 却至室温，再在其上面涂覆下一层凝胶膜，循环往复直到获得所需厚度的凝胶膜，再 在800-900 °C下处理30 180分钟。
本发明中所采用的化学原料为醋酸钡、醋酸锶、硝酸镁以及钛酸四正丁酯，溶 剂为冰醋酸、乙二醇乙醚和水，乙酰丙酮为螯合剂。
本发明中所述的的溶胶凝胶方法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝 胶而固化，再经过热处理而形成氧化物或其他化合物固体。
本发明中的微波可调器件用复合型铁电薄膜，具有良好的电学性能，具有介电可 调性，介电损耗低，并且可用做微波材料。本发明中的制备方法，成膜面积大且均匀、 所需设备简单，能够精确控制薄膜的化学计量比，成本低且易于与集成工艺兼容，适 于制作铁电集成器件。
图l是实施例l， 2制备的复合型铁电薄膜的X射线衍射图谱(XRD)。 图2是实施例1, 2制备的复合型铁电薄膜在100 kHz频率下的介电常数与外加 电场的关系图。
图3是实施例1， 2制备的复合型铁电薄膜在100 kHz频率下的介电损耗与外加 电场的关系图。
图4是实施例3制备的复合型铁电薄膜的X射线衍射图谱(XRD)。 图5是实施例3制备的复合型铁电薄膜在lOOkHz频率下的介电常数与外加电场 的关系图。
图6是实施例3制备的复合型铁电薄膜在100 kHz频率下的介电损耗与外加电场 的关系图。
具体实施例方式
实施例1~2:在Pt(l 1 1)/Ti/Si02/Si(l 0 O)基底上分别生长摩尔百分比为30%的 Mg2Ti04和70%的Ba(Lx)SrxTio.85Mgai503 (x=0.40)的复合型铁电薄膜和摩尔百分比为 40%的Mg2Ti04和60%的Ba^)SrxTio.85Mg(U503 (x=0.40)的复合型铁电薄膜
实施例1 : 70。/。的Bad.x)SrxTi。.85Mg(u503 ，x=0.4030%的Mg2Ti04
实施例2 : 60%的Bao-x)SrxTio.85Mg(U503 ， x=0.4040%的Mg2Ti04
A、 所采用的化学原料为醋酸钡、醋酸锶、硝酸镁以及钛酸四正丁酯，溶剂为冰 醋酸、乙二醇乙醚和水，乙酰丙酮为螯合剂，按照Bao.6()Sra4()Tia85Mg().1503的化学配 比，先分别称取2.2988g醋酸钡，1.2883g醋酸锶，0.5769g硝酸镁，在10mL冰醋酸 溶液和5mL水中加热至沸腾，待冷却至室温时，再加入摩尔比为l: 2的钛酸四正丁 酯4.4282g和乙酰丙酮2.5531g的混合溶液，形成Bao.6oSra4()Tia85Mgo.1503的溶液。
B、 按照Mg2Ti04的化学配比，称取5.1282g的硝酸镁溶于10mL乙二醇乙醚中， 并加入5mL的去离子水，搅拌至完全溶解，再加入摩尔比为1: 2的钛酸四正丁酯 3.4731g和乙酰丙酮2.0024g的混合溶液，形成Mg2Ti04的溶液。
C、将步骤A和步骤B硝酸镁的溶液分别按照摩尔比为7:3和6:4混合，并用冰 醋酸和一定量水调整溶液的摩尔浓度至0.10M，放置24小时后形成前驱体溶胶用来 制备薄膜。D、 将步骤B获得的前驱体溶胶通过旋转涂覆的方法在Pt(l 1 1)/Ti/Si02/Si(l 0 0) 基底上制成凝胶膜，旋转速度为3000转/分，时间为20秒。
E、 涂覆好的凝胶膜直接在500 °C的环境下处理10分钟，取出后冷却至室温， 涂覆下一层凝胶膜，循环往复直到获得300nm的薄膜，再在900°C下处理30分钟。 电性能测试采用直流溅射方法在上表面制作Au圆形电极，厚度约为100 nm。
实施例1 2制得的复合型铁电薄膜的X射线衍射分析图谱如图1所示，X射线衍 射分析图谱显示两种组分薄膜均呈现Mg2Ti04与BST两相共存结构，没有其他杂相 生成；实施例1~2制得的复合型铁电薄膜在100 kHz频率下的介电常数及介电损耗与 外加电场的关系图如图2、 3所示，从图中可以看出，所制备的复合型铁电薄膜介电 常数较低(<100)，且具有较低的介电损耗(O.Ol)，当外加电场为500kV/cm时，介 电常数的变化率为》20.0%，可以较好的满足微波调谐器件材料的要求。
实施例3，制备方法与实施例l、 2相同，不同之处在于摩尔百分比为 65%的Ba(1.x)SrxTi。.85Mgai503 x=0.60 35%的Mg2Ti04。 实施例4
其与实施例1，2的不同之处在于，在Bai-xSrxTi,Mgo.1503中x=0.50， Bao.5oSro.5。Ti。.85Mg(U503与Mg2Ti04的摩尔比为7: 3，制备方法与实施例1， 2相同。
最终制得摩尔百分比为30%的Mg2Ti04和70%的Bao.5oSra5oTia85Mgo.1503的复合 型铁电薄膜。电性能测试采用直流溅射方法在上表面制作Au圆形电极，厚度约为100 腿。
实施例4制得的复合型铁电薄膜的X射线衍射分析图谱如图4所示，X射线衍射 分析图谱显示两种组分薄膜均呈现Mg2Ti04与Bao.5()Sra5()Ti().85Mg(n503两相共存结构， 没有其他杂相生成；实施例4制得的复合型铁电薄膜在100 kHz频率下的介电常数及 介电损耗与外加电场的关系图如图5、 6所示，从图中可以看出，其介电常数较低 (<100)，具有较低的介电损耗(O.Ol)，当外加电场为500kV/cm时，介电常数的变化 率为24.7%，可以较好的满足微波调谐器件材料的要求。
权利要求
1、一种微波可调器件用复合型铁电薄膜，其特征在于，按照摩尔百分比由30％～40％的Mg2TiO4和70％～60％的Ba(1-x)SrxTi0.85Mg0.15O3组成，其中x＝0.40～0.60。
2、 一种制备权利要求1所述的微波可调器件用复合型铁电薄膜的方法，其特征在于，包括以 下步骤A、按照Bao.x)SrxTic.85Mg(U503 ， x=0.40 0.60的化学配比，先将醋酸钡、醋酸锶、硝酸 镁在冰醋酸和水的混合溶液中加热至沸腾，待冷却至室温时，再加入钛酸四正丁酯和乙 酰丙酮的混合溶液，形成Bad-x)SrxTia85Mgai503溶液；B、 按照Mg2Ti04的化学配比，将硝酸镁的乙二醇乙醚溶液与钛酸四正丁酯的乙酰丙酮溶液混合，形成Mg2Ti04溶液；将步骤A获得的溶液与Mg2Ti04溶液混合，并用冰醋酸和水调整溶液的摩尔浓度至0.10 0.20M，放置24小时后形成前驱体溶胶；C、 将步骤B获得的前驱体溶胶通过旋转涂覆的方法在Pt(l 1 1)/Ti/Si02/Si(l 0 O)基底上制 成凝胶膜，旋转速度为2900 3100转/分，时间为10 30秒；D、 先将涂覆好的一层凝胶膜在500。C 600。C的环境下处理5 10分钟，取出后冷却至 室温，再在其上面涂覆下一层凝胶膜，循环往复直到获得所需厚度的凝胶膜，再在 800~900°C下处理30 180分钟。
3、 根据权利要求2所述的微波可调器件用复合型铁电薄膜的方法，其特征在于，所述的步骤 C中，按照摩尔百分比30% 40%的Mg2Ti04和70% 60%的Bao-x)SrxTio.85Mg(U503的比 例将步骤A获得的溶液和步骤B获得的溶液混合。
全文摘要
本发明公开了一种微波可调器件用复合型铁电薄膜，其特征在于，按照摩尔百分比由30％～40％的Mg<sub>2</sub>TiO<sub>4</sub>和70％～60％Ba<sub>(1-x)</sub>Sr<sub>x</sub>Ti<sub>0.85</sub>Mg<sub>0.15</sub>O<sub>3</sub>(x＝0.40～0.60)的组成。本发明中的复合型铁电薄膜，具有良好的电学性能，具有介电可调性，介电损耗低，并且可用做微波材料。
文档编号H01P1/18GK101307497SQ200810032968
公开日2008年11月19日 申请日期2008年1月23日 优先权日2008年1月23日
发明者翟继卫, 高丽娜 申请人:同济大学